CN101272121A - 一种风力发电机组的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组的最大功率点跟踪方法，计算风能利用系数C_p、叶尖速比λ和

，当

，实际工作点在最大风能利用系数点的左侧，风力机的叶尖速比小于最佳叶尖速比，此时增加叶片转速；

，实际工作点在最大风能利用系数点的右侧，风力机的叶尖速比大于最佳叶尖速比，此时减小叶片转速；，实际工作点在最大风能利用系数点，风力机的实际叶尖速比等于最佳叶尖速比，风力机运行在最佳状态。将此最佳转速与风力机的实际转速相减，它们的差值经过PI电流控制转换成控制电流i_d ^*，i_d ^*与风力发电机组的实际电流i_d进行求差运算，差值输入到PWM调制，同时0与风力发电机组实际电流i_q的差值也输入到PWM调制，调制结果控制驱动电路，实现最大功率点跟踪。

Description

一种风力发电机组的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的最大功率点跟踪方法。

背景技术

目前风电在电网中所占的比例越来越大。现有的风力发电机组大多都采用恒速运行方式，风力机的转速不能随风速的变化而变化，无法达到最优的风能利用效率。变速运行风力发电机组以其能最大限度的捕获风能的优点倍受国内外学者的青睐，文献1(D.S.Zinger，E.Muljadi.Annualized wind energy improvement using variable speeds[J]，IEEE Trans.on Ind.Appl，1997，33：1444-1447.)证明变速风力发电系统比恒速系统效率要高38％，装机容量与日俱增。从国外安装运行的变速风力发电机组的运行状况看，目前国外企业生产的变速风力发电机组已经初步具备了最大功率点跟踪功能。国内在这方面的研究虽起步较晚，但发展较快，已有越来越多的学者开始了这个领域的研究，并取得了一定的成果，只是大部分研究还都处于理论研究和仿真验证阶段。

变速风力发电系统首要解决的问题是最大功率点跟踪(MPPT)技术。在过去的几十年里，对最大功率点跟踪提出过很多种控制算法，如爬山法，最佳功率(转矩)-转速曲线跟踪法，模糊控制法，自适应控制法。爬山法首先根据风速计算输出功率，然后对风力机的转速指令值ω^*以一定的转速扰动值Δω进行扰动，并观测功率的变化，如果功率增加则转速扰动方向不变，否则转速反向。但是从理论上讲爬山法不可能追踪到真正的最大功率点，实际工作点将在最大功率点附近振荡，并且从现有文献上看，这种控制算法还没有经过大功率实验验证，也没有经过实际风力发电机组的现场验证。

最佳功率(转矩)一转速曲线跟踪法是根据风力机的空气动力学特性和风力发电机组机械与电气模型，可以推导出风力发电机组输出最佳电磁功率(最佳转矩)与风力机转速之间的关系，便可得到最佳功率(转矩)一转速曲线。控制风力发电机组按照这条曲线运行，实现最大风能捕获。但对风力机本身的参数有较强的依赖性，参数误差会引起较大的能量损失。对于大容量大转动惯量的风力机而言，这种控制方法的动态响应效果也不够好。模糊控制对模糊规则和隶属度函数的依赖性较强，而模糊规则和隶属度函数的选取至今还没有形成统一的科学方法。自适应控制具有不依赖系统参数和模型的优点，同时也具有良好的稳定性，只是模型较为复杂，实现难度较大。

发明内容

本发明克服了现有技术计算速度慢，对风力机本身参数依赖性强的缺点，提出一种新的最大功率点跟踪方法。本发明能够有效地跟踪最大功率点，并且实现简单。

风力机是把风能转化为机械能的一种能量转换装置，在转化过程中有一定的能量损失，存在一个能量转换系数C_p， $C_p=\frac{P_m}{P_w}$ 其中P_m为单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率，P_w为单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。风能利用系数C_p与风速v，叶片转速n_w，叶片直径D和桨叶节距角β均有关系，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。叶尖速比λ是风轮叶尖速度与风速之比：

$\mathrm{\λ}=\frac{R_w{\mathrm{\ω}}_w}{v}=\frac{\mathrm{\π}{R}_w{n}_w}{30v}$

ω_w为风力机叶片旋转角速度，n_w为叶片的转速，v为风速，R_w为风力机的叶轮半径。在桨叶节距角β不变时，风能利用系数只与叶尖速比λ有关。对于一台确定的风力机，在一定风速和桨距角时，存在一个最大风能转换系数C_pmax，此时风力机输出功率最大。因此，在某一风速下，调节风力机转速，使其运行在最佳叶尖速比条件下，就可以达到最大功率点跟踪的目的。

本发明采用增量电导法计算风力机叶片的最佳转速，判断风力机运行区域。增量电导法的基本思想是当 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}>0$ 时，λ＜λ_opt即n_w＜n_opt，风力机叶片的实际转速小于最佳转速，此时应增加叶片的转速；当 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}<0$ 时，λ＞λ_opt，即n_w＞n_opt，风力机叶片的实际转速大于最佳转速，此时应减小叶片的转速；当 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0$ 时，λ＝λ_opt即n_w＝n_opt，叶片的实际转速等于最佳转速，其中λ_opt，为对应于最大风能利用系数下的叶尖速比，n_opt为对应于最大风能利用系数下的叶片转速。通过测量和比较，预估出最大风能转换系数C_pmax。

本发明方法步骤如下：

首先根据风速和风力发电机组当前速度，运用增量电导法计算出风力机叶片的最佳转速。具体计算过程如下：在某一时刻利用采样得到风力机的机械输出功率P_m和风力机的输入功率P_w，利用公式 $C_p=\frac{P_m}{P_w}$ 计算出风能利用系数C_p，并测量出此时风力机叶片的转速n_w，利用公式 $\mathrm{\&lambda;}=\frac{R_w{\mathrm{\&omega;}}_w}{v}=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_w{n}_w}{30v}$ 计算出此时刻的叶尖速比λ。利用C_p和λ计算出

然后根据

的值来判断风力机运行区域。若 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}>0,$ 则说明风力机实际工作点在最大风能利用系数点的左侧，这时应增加叶片转速；若 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}<0,$ 则风力机实际工作点在最大风能利用系数点的右侧，这时应减小叶片转速； $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0,$ 风力机实际工作点在最大风能利用系数点，此时的转速为最佳转速。计算出最佳转速后，将此最佳转速与风力机的实际转速相减，差值经过PI电流控制转换成控制电流i_d ^*，i_d ^*与风力发电机组的实际电流i_d进行求差运算，差值输入到PWM调制，同时0与风力发电机组实际电流i_q的差值也输入到PWM调制，调制结果控制驱动电路，从而实现了最大功率点跟踪。

附图说明

图1风力机特性曲线；

图2风能利用系数与叶尖速比的关系曲线图；

图3增量电导法流程图；

图4具备最大功率点跟踪功能的风力发电机组。

具体实施方式：

风力机输出功率与转速之间的关系曲线如图1所示，不同风速情况下均存在一个转速使得风力机输出功率最大，即当风力机叶片转速为该特定值时就能实现最大功率点跟踪。如图2所示，对于一台确定的风力机，在一定风速和桨距角时，存在一个最大风能转换系数C_pmax，此时风力机输出功率最大。因此，在某一风速下，调节风力机叶片转速，使其运行在最佳叶尖速比条件下，就可以达到最大功率点跟踪的目的。

本发明首先利用采样得到风力机的机械输出功率P_m和风力机的输入功率P_w，利用公式 $C_p=\frac{P_m}{P_w}$ 计算出风能利用系数C_p，并根据风速和风力发电机组的当前转速n_w，利用公式 $\mathrm{\&lambda;}=\frac{R_w{\mathrm{\&omega;}}_w}{v}=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_w{n}_w}{30v}$ 计算出此时刻的叶尖速比λ。利用C_p和λ计算出

然后根据

的值来判断风力机运行区域，再调节风力机叶片转速使其运行在最大风能利用系数点，从而达到最大风能捕获的目的。调节叶片转速的依据是： $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}>0,$ 风力机实际工作点在最大风能利用系数点的左侧，风力机的叶尖速比小于最佳叶尖速比，这时应增加叶片转速； $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}<0,$ 风力机实际工作点在最大风能利用系数点的右侧，风力机的叶尖速比大于最佳叶尖速比，这时应减小叶片转速； $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0,$ 风力机实际工作点在最大风能利用系数点，风力机的实际叶尖速比等于最佳叶尖速比，风力机运行在最佳状态。但是由于导数

无法直接求出，所以工程上一般是采用近似代替

$\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;}{C}_p}{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}=\frac{C_p-C_{\mathrm{pb}}}{\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_b}$

式中C_pb为风力机扰动前的风能利用系数，λ_b为风力机扰动前的叶尖速比。由此方法计算出叶片的最佳转速。得到此最佳转速后，与风力机的实际转速相减，它们的差值经过PI电流控制转换成一个控制电流i_d ^*，i_d ^*与风力发电机组的实际电流i_d进行求差运算，差值输入到PWM调制，同时0与风力发电机组实际电流i_q的差值也输入到PWM调制，调制结果控制驱动电路，从而实现了最佳转速的跟踪和调整，即实现了最大功率点跟踪。

下面结合图3和图4描述本发明具体的最大功率点跟踪过程。

1、首先利用采样得到风力机的机械输出功率P_m和风力机的输入功率P_w，利用公式 $C_p=\frac{P_m}{P_w}$ 计算出风能利用系数C_p，并根据此时风速和风力机叶片转速n_w，利用公式 $\mathrm{\&lambda;}=\frac{R_w{\mathrm{\&omega;}}_w}{v}=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_w{n}_w}{30v}$ 计算出此时刻的叶尖速比λ。

2、然后利用dC_p＝C_p-C_pb，dλ＝λ-λ_b计算出dC_p和dλ，由于dλ是分母，所以要首先判断dλ是否为0，

3、如果叶尖速比λ没有变化即dλ＝0，且风能利用系数C_p也没有发生变化即dC_p＝0，则说明不需要进行调整；如果叶尖速比λ没有变化即dλ＝0，但是风能利用系数发生了变化即dC_p≠0，这时就应该根据dC_p的值来进行叶片转速的调整从而改变叶尖速比。具体的是如果dC_p＞0则应该增加风力机叶片转速，从而使叶尖速比增大；如果dC_p＜0则应该减小风力机叶片转速，从而使叶尖速比减小。

4、假如dλ≠0再根据

的值进行调整，根据附图1风能利用系数与叶尖速比的关系曲线可以知道，只有在最大风能利用系数点处才有 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0.$ 所以如果 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0,$ 说明风力机运行在最佳状态，不需要调整；如果 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}>0,$ 说明风力机实际工作点在最大风能利用系数点的左侧，这时应增加叶片转速从而增加叶尖速比；如果 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}<0,$ 说明风力机实际工作点在最大风能利用系数点的右侧，这时应减小叶片转速从而减小叶尖速比。

5、判断完这个过程后，把该时刻的风能利用系数C_p和叶尖速比λ赋给C_pb和λ_b为下一次循环提供数据。循环运算，直到找到 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0$ 的最佳转速。

6、确定出最佳转速后，将此最佳转速w^*与风力机的实际转速w求差，差值Δw通过PI电流控制技术转换成一个控制电流i_d ^*。风力发电机的定子电流i_a，i_b，i_c通过d，q变换算法得到电流i_d，i_q。i_d ^*与i_d作差得到差值电流i_sd ^*，0与i_q作差得到差值电流i_sq ^*。i_sd ^*和i_sq ^*一起输入到PWM调制，经过调制后，输出控制参量来驱动控制电路，使风力机在最佳转速状态下运行，从而实现了风力发电机组的最大功率点跟踪。

Claims (1)

1、一种风力发电机组的最大功率点跟踪方法，其特征在于：

(1)首先利用采样得到风力机的机械输出功率P_m和风力机的输入功率P_w，根据公式 $C_p=\frac{P_m}{P_w}$ 计算出风能利用系数C_p，并根据此时风速v和风力机叶片转速n_w，利用公式 $\mathrm{\&lambda;}=\frac{R_w{\mathrm{\&omega;}}_w}{v}=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_w{n}_w}{30v}$ 计算出此时刻的叶尖速比λ，其中公式中的R_w为风力机的叶轮半径；

(2)然后利用dC_p＝C_p-C_pb，dλ＝λ-λ_b计算出dC_p和dλ，判断dλ是否为0，式中C_pb为前一时刻的风能利用系数，λ_b为前一时刻的叶尖速比，；

如果dλ＝0，且dC_p＝0，不需要调整风力机叶片转速；如果dλ＝0，dC_p＞0则增加风力机叶片转速，从而使叶尖速比增大；如果dλ＝0，dC_p＜0，则减小风力机叶片转速，使叶尖速比减小；

(3)如dλ≠0， $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0,$ 说明风力机运行在最佳状态，不需要调整；如果dλ≠0， $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}>0,$ 说明风力机实际工作点在最大风能利用系数点的左侧，此时应增加叶片转速从而增加叶尖速比；如果dλ≠0， $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}<0$ 说明风力机实际工作点在最大风能利用系数点的右侧，此时应减小叶片转速从而减小叶尖速比。

(4)判断完此过程后，把该时刻的风能利用系数C_p和叶尖速比λ赋给C_pb和λ_b为下一次循环提供数据；按照步骤(1)至(3)循环运算，直到找到 $\frac{{\mathrm{dC}}_p}{\mathrm{d\&lambda;}}=0$ 的最佳转速；

(5)确定出最佳转速后，将此最佳转速w^*与风力机的实际转速w求差，差值Δw通过PI电流控制技术转换成一个控制电流i_d ^*；风力发电机定子三相电流i_a，i_b，i_c通过d，q变换算法得到d，q坐标系下的直轴电流分量i_d和交轴电流分量i_q；i_d ^*与i_d作差得到差值电流i_sd ^*，0与i_q作差得到差值电流i_sq ^*；i_sd ^*和i_sq ^*一起输入到PWM调制，经过调制后，输出控制参量来驱动控制电路，使风力发电机组在最佳转速状态下运行，实现了最大功率点跟踪。

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