專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤方法。
技術(shù)背景目前風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比例越來越大?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機組大多都采用恒速運行方 式，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速的變化而變化，無法達到最優(yōu)的風(fēng)能利用效率。變速運行風(fēng)力 發(fā)電機組以其能最大限度的捕獲風(fēng)能的優(yōu)點倍受國內(nèi)外學(xué)者的青睞，文獻l (D. S. Zinger, E. Muljadi. Annualized wind energy improvement using variable speeds[J]， IEEE Trans, on Ind. Appl， 1997,33:1444-1447.)證明變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比恒速系統(tǒng)效率要高38%，裝 機容量與日俱增。從國外安裝運行的變速風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀況看，目前國外企業(yè)生產(chǎn)的 變速風(fēng)力發(fā)電機組已經(jīng)初步具備了最大功率點跟蹤功能。國內(nèi)在這方面的研究雖起步較晚， 但發(fā)展較快，已有越來越多的學(xué)者開始了這個領(lǐng)域的研究，并取得了一定的成果，只是大部 分研究還都處于理論研究和仿真驗證階段。變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)首要解決的問題是最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)。在過去的幾十年里， 對最大功率點跟蹤提出過很多種控制算法，如爬山法，最佳功率(轉(zhuǎn)矩)-轉(zhuǎn)速曲線跟蹤法， 模糊控制法，自適應(yīng)控制法。爬山法首先根據(jù)風(fēng)速計算輸出功率，然后對風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速指令 值6/以一定的轉(zhuǎn)速擾動值A(chǔ)必進行擾動，并觀測功率的變化，如果功率增加則轉(zhuǎn)速擾動方向 不變，否則轉(zhuǎn)速反向。但是從理論上講爬山法不可能追蹤到真正的最大功率點，實際工作點 將在最大功率點附近振蕩，并且從現(xiàn)有文獻上看，這種控制算法還沒有經(jīng)過大功率實驗驗證， 也沒有經(jīng)過實際風(fēng)力發(fā)電機組的現(xiàn)場驗證。最佳功率(轉(zhuǎn)矩)一轉(zhuǎn)速曲線跟蹤法是根據(jù)風(fēng)力機的空氣動力學(xué)特性和風(fēng)力發(fā)電機組機 械與電氣模型，可以推導(dǎo)出風(fēng)力發(fā)電機組輸出最佳電磁功率(最佳轉(zhuǎn)矩)與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速之間 的關(guān)系，便可得到最佳功率(轉(zhuǎn)矩) 一轉(zhuǎn)速曲線。控制風(fēng)力發(fā)電機組按照這條曲線運行，實 現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。但對風(fēng)力機本身的參數(shù)有較強的依^"性,參數(shù)誤差會引起較大的能量損失。 對于大容量大轉(zhuǎn)動慣量的風(fēng)力機而言，這種控制方法的動態(tài)響應(yīng)效果也不夠好。模糊控制對 模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)的依賴性較強，而模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)的選取至今還沒有形成統(tǒng)一 的科學(xué)方法。自適應(yīng)控制具有不依賴系統(tǒng)參數(shù)和模型的優(yōu)點，同時也具有良好的穩(wěn)定性，只是模型較為復(fù)雜，實現(xiàn)難度較大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)計算速度慢，對風(fēng)力機本身參數(shù)依賴性強的缺點，提出一種新的 最大功率點跟蹤方法。本發(fā)明能夠有效地跟蹤最大功率點，并且實現(xiàn)簡單。風(fēng)力機是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，在轉(zhuǎn)化過程中有一定的能量損失， 存在一個能量轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp， cp=f 其中&為單位時間內(nèi)葉輪吸收且轉(zhuǎn)換的輯械能，即風(fēng)力機的機械輸出功率，^為單位時間內(nèi)通過葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機的輸入功率。風(fēng)能利用系數(shù)Cp與風(fēng)速v，葉片轉(zhuǎn)速 ，葉片直徑Z)和槳葉節(jié)距角-均有關(guān)系，是葉尖速比入和槳葉節(jié)距角e的函數(shù)。葉尖速比a是風(fēng)輪葉尖速度與風(fēng)速之比<formula>formula see original document page 4</formula>
^為風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)角速度， 為葉片的轉(zhuǎn)速，v為風(fēng)速，iC為風(fēng)力機的葉輪半徑。在槳葉節(jié)距角e不變時，風(fēng)能利用系數(shù)只與葉尖速比入有關(guān)。對于一臺確定的風(fēng)力機，在一定風(fēng) 速和槳距角時，存在一個最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp,，此時風(fēng)力機輸出功率最大。因此，在某一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使其運行在最佳葉尖速比條件下，就可以達到最大功率點跟蹤 的目的。本發(fā)明采用增量電導(dǎo)法計算風(fēng)力機葉片的最佳轉(zhuǎn)速，判斷風(fēng)力機運行區(qū)域。增量電導(dǎo)法的基本思想是當(dāng)^〉0時，X〈;^即 〈w剛，風(fēng)力機葉片的實際轉(zhuǎn)速小于最佳轉(zhuǎn)速，此時 應(yīng)增加葉片的轉(zhuǎn)速；當(dāng)^〈0時，X〉義。p,，即^〉"。p,，風(fēng)力機葉片的實際轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速，此時應(yīng)減小葉片的轉(zhuǎn)速；當(dāng)^-o時，入=;^即葉片的實際轉(zhuǎn)速等于最佳轉(zhuǎn)速，其中/l。,為對應(yīng)于最大風(fēng)能利用系數(shù)下的葉尖速比，"。p,為對應(yīng)于最大風(fēng)能利用系數(shù) 下的葉片轉(zhuǎn)速。通過測量和比較，預(yù)估出最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)。_。本發(fā)明方法步驟如下首先根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機組當(dāng)前速度，運用增量電導(dǎo)法補算出風(fēng)力機葉片的最佳轉(zhuǎn)速。具體計算過程如下在某一時刻利用采樣得到風(fēng)力機的機械輸出功率^和風(fēng)力機的輸入功率4，利用公式^-，計算出風(fēng)能利用系數(shù)Cp，并測量出此時風(fēng)力機葉片的轉(zhuǎn)速 ，利用公式;i-^-^^計算出此時刻的葉尖速比;i。利用G和A計算出^，然后根<formula>formula see original document page 4</formula>據(jù)^的值來判斷風(fēng)力機運行區(qū)域。若^〉0，則說明風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用" t/義系數(shù)點的左側(cè)，這時應(yīng)增加葉片轉(zhuǎn)速；若^<0，則風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù) 點的右側(cè)，這時應(yīng)減小葉片轉(zhuǎn)速；^=0，風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點，此時d義的轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速。計算出最佳轉(zhuǎn)速后，將此最佳轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)速相減，差值經(jīng)過 PI電流控制轉(zhuǎn)換成控制電流《，/:與風(fēng)力發(fā)電機組的實際電流^進行求差運算，差值輸入到 PWM調(diào)制，同時0與風(fēng)力發(fā)電機組實際電流^的差值也輸入到PWM調(diào)制，調(diào)制結(jié)果控制驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。


圖l風(fēng)力機特性曲線；圖2風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線圖； 圖3增量電導(dǎo)法流程圖；圖4具備最大功率點跟蹤功能的風(fēng)力發(fā)電機組。
具體實施例方式風(fēng)力機輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線如圖l所示，不同風(fēng)速情況下均存在一個轉(zhuǎn)速使 得風(fēng)力機輸出功率最大，即當(dāng)風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速為該特定值時就能實現(xiàn)最大功率點跟蹤。如圖 2所示，對于一臺確定的風(fēng)力機，在一定風(fēng)速和槳距角時，存在一個最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)C^ ,此時風(fēng)力機輸出功率最大。因此，在某一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速，使其運行在最佳葉 尖速比條件下，就可以達到最大功率點跟蹤的目的。本發(fā)明首先利用釆樣得到風(fēng)力機的機械輸出功率4和風(fēng)力機的輸入功率4，利用公式。-,計算出風(fēng)能利用系數(shù)Cp，并根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機組的當(dāng)前轉(zhuǎn)速 ，利用公式A-^-^^計算出此時刻的葉尖速比義。利用c和義計算出^，然后根據(jù)^的 v 30v p w值來判斷風(fēng)力機運行區(qū)域，再調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速使其運行在最太風(fēng)能利用系數(shù)點，從而達到最大風(fēng)能捕獲的目的。調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速的依據(jù)是^>0，風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點的左側(cè)，風(fēng)力機的葉尖速比小于最佳葉尖速比，這時應(yīng)增加葉片轉(zhuǎn)速；^<0，風(fēng) 力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點的右側(cè)，風(fēng)力機的葉尖速比大于最佳葉尖速比，這時應(yīng)減小葉片轉(zhuǎn)速；^=0,風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點，風(fēng)力機的實際葉尖速 比等于最佳葉尖速比，風(fēng)力機運行在最佳狀態(tài)。但是由于導(dǎo)數(shù)^無法直接求出，所以工程上一般是采用近似代替<formula>formula see original document page 6</formula>式中c^為風(fēng)力機擾動前的風(fēng)能利用系數(shù)，^為風(fēng)力機擾動前的葉尖速比。由此方法計算出葉片的最佳轉(zhuǎn)速。得到此最佳轉(zhuǎn)速后，與風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)速相減，它們的差值經(jīng)過PI電流控制轉(zhuǎn)換成一個控制電流《，C與風(fēng)力發(fā)電機組的實際電流^進行求差運算，差值輸入到PWM調(diào)制，同時0與風(fēng)力發(fā)電機組實際電流/,的差值也輸入到PWM調(diào)制，調(diào)制結(jié)果控制驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)了最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤和調(diào)整，即實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。 下面結(jié)合圖3和圖4描述本發(fā)明具體的最大功率點跟蹤過程。1、 首先利用采樣得到風(fēng)力機的機械輸出功率4和風(fēng)力機的輸入功率&，利用公式 Cp-，計算出風(fēng)能利用系數(shù)Cp,并根據(jù)此時風(fēng)速和風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速^，利用公式A-^-^L計算出此時刻的葉尖速比2。 v 30v2、 然后利用c Cp-(^-c^,fU-;i-4計算出rfCp和ca，由于cu是分母，所以要首先 判斷^a是否為o，3、 如果葉尖速比;r沒有變化即^a-o，且風(fēng)能利用系數(shù)<^也沒有發(fā)生變化即^(^=0，則 說明不需要進行調(diào)整；如果葉尖速比;1沒有變化即^1=0，但是風(fēng)能利用系數(shù)發(fā)生了變化即rfCp^0，這時就應(yīng)該根據(jù)c/Cp的值來進行葉片轉(zhuǎn)速的調(diào)整從而改變?nèi)~尖速比。具體的是如 果dCpM)則應(yīng)該增加風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速，從而使葉尖速比增大；如果^Cp〈0則應(yīng)該減小風(fēng)力 機葉片轉(zhuǎn)速，從而使葉尖速比減小。4、 假如^1承0再根據(jù)^的值進行調(diào)整，根據(jù)附圖1風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系￡/義曲線可以知道，只有在最大風(fēng)能利用系數(shù)點處才有^=0。所以如果^=0,說明風(fēng)力機d義運行在最佳狀態(tài)，不需要調(diào)整；如果^〉0，說明風(fēng)力機實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點的左側(cè)，這時應(yīng)增加葉片轉(zhuǎn)速從而增加葉尖速比；如果2〈0，說明風(fēng)力機實際工作點在最 大風(fēng)能利用系數(shù)點的右側(cè)，這時應(yīng)減小葉片轉(zhuǎn)速從而減小葉尖速比。5、判斷完這個過程后，把該時刻的風(fēng)能利用系數(shù)Cp和葉尖速比;i賦給c^和4為下一次 循環(huán)提供數(shù)據(jù)。循環(huán)運算，直到找到^=0的最佳轉(zhuǎn)速。6、確定出最佳轉(zhuǎn)速后，將此最佳轉(zhuǎn)速w'與風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)速w求差，差值A(chǔ)w通過PI電流 控制技術(shù)轉(zhuǎn)換成一個控制電流/;風(fēng)力發(fā)電機的定子電流/。,"/。通過^《變換算法得到電流 t^。 /二與G作差得到差值電流C， 0與^作差得到差值電流/;。 4和C一起輸入到PWM調(diào) 制，經(jīng)過調(diào)制后，輸出控制參量來驅(qū)動控制電路，使風(fēng)力機在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運行，從而實 現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤。
權(quán)利要求
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤方法，其特征在于(1)首先利用采樣得到風(fēng)力機的機械輸出功率Pm和風(fēng)力機的輸入功率Pw，根據(jù)公式
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤方法，計算風(fēng)能利用系數(shù)C_p、葉尖速比λ和dC_p/dλ，當(dāng)dC_p/dλ>0，實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點的左側(cè)，風(fēng)力機的葉尖速比小于最佳葉尖速比，此時增加葉片轉(zhuǎn)速；dC_p/dλ<0，實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點的右側(cè)，風(fēng)力機的葉尖速比大于最佳葉尖速比，此時減小葉片轉(zhuǎn)速；dC_p/dλ=0:實際工作點在最大風(fēng)能利用系數(shù)點，風(fēng)力機的實際葉尖速比等于最佳葉尖速比，風(fēng)力機運行在最佳狀態(tài)。將此最佳轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)速相減，它們的差值經(jīng)過PI電流控制轉(zhuǎn)換成控制電流i_d^*，i_d^*與風(fēng)力發(fā)電機組的實際電流i_d進行求差運算，差值輸入到PWM調(diào)制，同時0與風(fēng)力發(fā)電機組實際電流i_q的差值也輸入到PWM調(diào)制，調(diào)制結(jié)果控制驅(qū)動電路，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。
文檔編號H02P9/04GK101272121SQ20081010604
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者李建林, 許洪華, 斌 趙, 蕊 馬 申請人:中國科學(xué)院電工研究所