CN102307038A - 离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其控制装置，该方法先测量发电机的转速及输出功率，然后通过爬山法及比例控制法分别计算占空比，将两个占空比叠加作为升压电路占空比，最后乘以开关周期计算升压电路功率开关器件的导通时间，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。所述装置包括发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块、输入电流采样电路模块、DSP控制电路模块、驱动电路模块、不可控的整流电路模块和升压电路模块。DSP控制电路模块计算并生成PWM控制信号，通过驱动电路模块控制升压电路模块的功率开关器件的通断。本发明的最大功率跟踪方法跟踪时间短，跟踪精度高，能有效提高离网型风力发电系统的发电效率。

Description

离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其控制装置
技术领域
本发明属于离网型风力发电系统控制技术，具体涉及一种用于离网型风力发电系统的改进型最大功率跟踪方法及其装置。
背景技术
离网型风力发电系统是一种可以单独运行的风力发电系统，相对于并网型风力发电系统，具有配置灵活、控制简单等特点。在电网无法到达的边远地区，离网型风力发电系统得到广泛使用，可有效解决边远地区、海岛哨所、通信基站的用电问题。
离网型风力发电系统由风力机、发电机、控制器及负载组成。其中风力机的主要作用是捕获风能。风力机由风带动旋转，将风能转换成机械能并带动与之相连接的发电机旋转。发电机由风力机带动旋转，将风力机产生的机械能转换成电能。风力机与发电机的组合完成风能向电能的转换。离网型风力发电系统的控制器一般由不可控整流电路、升压电路、蓄电池充放电电路、逆变电路、电量检测电路、驱动电路及控制电路组成。控制器的作用是控制风力发电系统进行最大功率跟踪、蓄电池充放电管理、逆变控制及系统保护等等。
由于离网型风力发电系统在运行过程中存在发电效率低下的问题，因此设计性能良好的最大功率跟踪方法是成为提高离网型风力发电系统的发电效率的关键。
利用空气动力学理论分析风力机的运行过程，可以得知风力机的运行特性。其中，风力机的输出功率                                                
Figure 114449DEST_PATH_IMAGE001
可表示为：
                            
Figure 635561DEST_PATH_IMAGE002
                         （1）
上式中，
Figure 885276DEST_PATH_IMAGE003
表示空气密度；
Figure 570684DEST_PATH_IMAGE004
表示风能利用系数；表示叶尖速比；
Figure 75801DEST_PATH_IMAGE006
表示风力机风轮半径；表示风力机转速。其中，叶尖速比
Figure 906671DEST_PATH_IMAGE005
与风力机转速及风速相关。根据式（1）可得到在不同风速下，风力机的运行特性曲线如图2所示。从图2可以看出，风力机在每个风速下都存在一个最佳转速。在这个最佳转速之下，风力机能发出最大功率。这个工作点称为风力机的最佳工作点。
在风速固定的情况，如果风力机的工作点处于最大工作点的左端，只要增加风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加；如果风力机的工作点处于最大功率工作点的右端，只要降低风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加。因此，只要知道风力机当前工作点所处的位置，就可以对风力机转速做出相应的增减，实现最大功率跟踪。
目前常见的最大功率跟踪方法有爬山法。
爬山法的基本思想是根据风力机在运行特性曲线上的工作点位置，确定风力机转速的变化方向，逐步改变风力机转速，使风力机最终工作在最佳工作点。
风力机的工作点特征可分为四种情况：
下面用
Figure 75746DEST_PATH_IMAGE008
代表
Figure 368187DEST_PATH_IMAGE009
时刻的风力机输出功率、
Figure 162968DEST_PATH_IMAGE010
代表
Figure 44205DEST_PATH_IMAGE009
时刻的转速、用
Figure 695766DEST_PATH_IMAGE011
代表
Figure 678766DEST_PATH_IMAGE012
时刻的输出功率、
Figure 762390DEST_PATH_IMAGE013
代表
Figure 311183DEST_PATH_IMAGE012
时刻的转速。
情况一，
Figure 336908DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 790892DEST_PATH_IMAGE015
。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的左边且工作点向最大功率点移动，这时应继续增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
情况二，
Figure 989792DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 330775DEST_PATH_IMAGE016
。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的右边且工作点向最大功率点移动。这时应继续减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
情况三，且
Figure 32463DEST_PATH_IMAGE015
。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的右边且工作点远离最大功率点，这时应改变爬山方向，减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
情况四，
Figure 707158DEST_PATH_IMAGE017
且。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的左边且工作点远离最大功率点。这时应改变爬山方向，增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
上述四种情况可进一步归纳为两种情况：
情况一，如果
Figure 847338DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 761067DEST_PATH_IMAGE015
或者
Figure 990186DEST_PATH_IMAGE017
且
Figure 633657DEST_PATH_IMAGE016
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 906506DEST_PATH_IMAGE018
，则增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
情况二，如果
Figure 822378DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 901193DEST_PATH_IMAGE016
或者
Figure 336853DEST_PATH_IMAGE017
且，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 747554DEST_PATH_IMAGE019
，则减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。
爬山法与风力机的特性无关，适应性较好，控制精度较高，但是爬山法的实质是根据功率的变化及转速的变化，按照一定的步长改变风力机的转速，其跟踪时间长、动态响应差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其装置，解决了一般的爬山法在面对外界风速快速变化时出现的跟踪时间长、动态响应差的缺点，从而加快最大功率跟踪的时间，改善一般爬山法的动态响应。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用控制装置检测风力发电机的转速及输出功率；
（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；
（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；
（4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。
 
所述步骤（2）中的爬山法为：
如果
Figure 567743DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 920227DEST_PATH_IMAGE015
或者
Figure 49726DEST_PATH_IMAGE017
且
Figure 425343DEST_PATH_IMAGE016
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 845960DEST_PATH_IMAGE018
，则减少占空比，即；
如果且
Figure 717730DEST_PATH_IMAGE016
或者
Figure 128988DEST_PATH_IMAGE017
且
Figure 456064DEST_PATH_IMAGE015
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 678098DEST_PATH_IMAGE019
，则增加占空比，即
Figure 779041DEST_PATH_IMAGE021
；
上述参数中：
Figure 541460DEST_PATH_IMAGE010
为本采样周期检测到的发电机转速为；
Figure 660726DEST_PATH_IMAGE008
为本采样周期计算得到的发电机输出功率为；上一个采样周期检测到的发电机转速；
Figure 202752DEST_PATH_IMAGE011
为上一个采样周期计算得到的发电机输出功率；
Figure 706545DEST_PATH_IMAGE022
为本采样周期计算的占空比；
Figure 419331DEST_PATH_IMAGE023
为上一个采样周期计算得到的占空比；
Figure 983168DEST_PATH_IMAGE024
为占空比变化步长。
 
 所述步骤（2）的比例控制法的计算公式为：
Figure 370287DEST_PATH_IMAGE025
，
上式中，
Figure 661460DEST_PATH_IMAGE010
为本采样周期检测到的发电机转速；
Figure 755318DEST_PATH_IMAGE026
为经过风力机功率曲线公式计算得到的在转速
Figure 240788DEST_PATH_IMAGE010
下的参考功率；
Figure 849624DEST_PATH_IMAGE008
为发电机输出功率；为比例系数；为本采样周期比例控制法计算得到的占空比；
其中，风力机功率曲线公式具体为：
Figure 126387DEST_PATH_IMAGE029
，
    上式中，
Figure 160202DEST_PATH_IMAGE030
为风力机额定功率；
Figure 606227DEST_PATH_IMAGE031
为风力机的额定转速；为风力机开始发出功率的转速。
 
离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，整流电路模块的输入端与发电机的三相输出端连接，整流电路模块的输出端与升压电路模块的输入端连接，升压电路模块的输出端与负载连接，所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，所述发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块分别将发电机的转速、升压电路模块的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块，所述DSP控制电路模块根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块，所述驱动电路模块接收来自DSP控制电路模块的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
 
本发明的有益效果：
1.传统的爬山法采用逐步逼近的方式进行最大功率跟踪，在外界风速快速变化的时候，跟踪速度较慢，跟踪效率低。本发明在爬山法基础上引入比例控制，利用比例控制动态性能良好的优势，在外界风速快速变化，迅速将风力机工作点调整到最佳工作点附近，减少跟踪时间，提高跟踪性能。比例控制的引入灵敏地对风速的变化进行跟踪，提高风力机捕获风能的效率；
2.比例控制的功率曲线的获取简单易行。功率曲线的获取充分利用厂家提供的风力机及发电机参数，只需测量发电机在额定电压下的转速及风力机的额定功率、额定转速即可得到，省去一般功率曲线测量所需的风洞试验或风场试验，大大减少试验成本及试验时间。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的控制装置的结构框图。
图中：1、发电机转速测量电路模块；2、输入电压采样电路模块；3、输入电流采样电路模块；4、DSP控制电路模块；5、驱动电路模块；6、整流电路模块；7、升压电路模块；8、负载；9、发电机；10、DSP控制电路模块；11、驱动电路模块A；12、驱动电路模块B。
具体实施方式      
 如图1所示，离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，包括发电机9、不可控的整流电路模块6和升压电路模块7，整流电路模块6的输入端与发电机9的三相输出端连接，整流电路模块6的输出端与升压电路模块7的输入端连接，升压电路模块7的输出端与负载8连接，所述整流电路模块6的输出端连接有输入电流采样电路模块3和输入电压采样电路模块2，所述发电机9的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块1，所述发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2和输入电流采样电路模块3分别将发电机9的转速、升压电路模块7的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块4，所述DSP控制电路模块4根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块7的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5，所述驱动电路模块5接收来自DSP控制电路模块4的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块7的功率开关器件的通断。
所述DSP控制电路模块4采用DSP-TMS320LF2407A型控制器，其中，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 DSP控制电路模块4主要完成改进型最大功率跟踪方法和PWM控制信号输出。首先对发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2、输入电流采样电路模块3变换得到的信号进行采样，然后根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路的占空比，再转换为升压电路模块7功率开关器件的导通时间，最后通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5。
 
离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用控制装置检测风力发电机的转速及输出功率；
（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；
（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；
（4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。
 
所述步骤（2）中的爬山法为：
如果
Figure 501950DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 85378DEST_PATH_IMAGE015
或者
Figure 522045DEST_PATH_IMAGE017
且
Figure 445001DEST_PATH_IMAGE016
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 443175DEST_PATH_IMAGE018
，则减少占空比，即
Figure 513900DEST_PATH_IMAGE020
；
如果
Figure 504989DEST_PATH_IMAGE014
且
Figure 531720DEST_PATH_IMAGE016
或者
Figure 12380DEST_PATH_IMAGE017
且
Figure 242504DEST_PATH_IMAGE015
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 99602DEST_PATH_IMAGE019
，则增加占空比，即
Figure 482304DEST_PATH_IMAGE021
；
上述参数中：
Figure 71548DEST_PATH_IMAGE010
为本采样周期检测到的发电机转速为；
Figure 116865DEST_PATH_IMAGE008
为本采样周期计算得到的发电机输出功率为；
Figure 699024DEST_PATH_IMAGE013
上一个采样周期检测到的发电机转速；
Figure 247817DEST_PATH_IMAGE011
为上一个采样周期计算得到的发电机输出功率；
Figure 273542DEST_PATH_IMAGE022
为本采样周期计算的占空比；
Figure 540576DEST_PATH_IMAGE023
为上一个采样周期计算得到的占空比；为占空比变化步长。
 
 所述步骤（2）的比例控制法的计算公式为：
Figure 768874DEST_PATH_IMAGE025
，
上式中，
Figure 27817DEST_PATH_IMAGE010
为本采样周期检测到的发电机转速；
Figure 703518DEST_PATH_IMAGE026
为经过风力机功率曲线公式计算得到的在转速
Figure 706109DEST_PATH_IMAGE010
下的参考功率；为发电机输出功率；
Figure 331442DEST_PATH_IMAGE027
为比例系数；
Figure 261483DEST_PATH_IMAGE028
为本采样周期比例控制法计算得到的占空比；
其中，风力机功率曲线公式具体为：
Figure 739869DEST_PATH_IMAGE029
，
    上式中，
Figure 117761DEST_PATH_IMAGE030
为风力机额定功率；
Figure 905457DEST_PATH_IMAGE031
为风力机的额定转速；
Figure 368800DEST_PATH_IMAGE032
为风力机开始发出功率的转速。

Claims (5)

1.一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用控制装置检测风力发电机的转速及输出功率；
（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；
（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；
   （4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。
2.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤（2）中的爬山法为：
    如果                                                且
Figure 40311DEST_PATH_IMAGE002
或者
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE003
且
Figure 742268DEST_PATH_IMAGE004
，即功率变化量与转速变化量的乘积
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE005
，则减少占空比，即
Figure 123702DEST_PATH_IMAGE006
；
如果
Figure 651504DEST_PATH_IMAGE001
且
Figure 409376DEST_PATH_IMAGE004
或者且
Figure 812730DEST_PATH_IMAGE002
，即功率变化量与转速变化量的乘积，则增加占空比，即
Figure 126031DEST_PATH_IMAGE008
；
    上述参数中：
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE009
为本采样周期检测到的发电机转速为；
Figure 186128DEST_PATH_IMAGE010
为本采样周期计算得到的发电机输出功率为；
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE011
上一个采样周期检测到的发电机转速；为上一个采样周期计算得到的发电机输出功率；
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE013
为本采样周期计算的占空比；
Figure 761695DEST_PATH_IMAGE014
为上一个采样周期计算得到的占空比；
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE015
为占空比变化步长。
3.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤（2）的比例控制法的计算公式为：
Figure 562292DEST_PATH_IMAGE016
，
上式中，
Figure 848917DEST_PATH_IMAGE009
为本采样周期检测到的发电机转速；
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE017
为经过风力机功率曲线公式计算得到的在转速
Figure 549895DEST_PATH_IMAGE009
下的参考功率；
Figure 647295DEST_PATH_IMAGE010
为发电机输出功率；
Figure 856559DEST_PATH_IMAGE018
为比例系数；
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE019
为本采样周期比例控制法计算得到的占空比；
其中，风力机功率曲线公式具体为：
Figure 258459DEST_PATH_IMAGE020
，
    上式中，
Figure 2011102695374100001DEST_PATH_IMAGE021
为风力机额定功率；为风力机的额定转速；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为风力机开始发出功率的转速。
4.根据权利要求1所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，整流电路模块的输入端与发电机的三相输出端连接，整流电路模块的输出端与升压电路模块的输入端连接，升压电路模块的输出端与负载连接，其特征在于：所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，所述发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块分别将发电机的转速、升压电路模块的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块，所述DSP控制电路模块根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块，所述驱动电路模块接收来自DSP控制电路模块的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块的功率开关器件的通断。
5.根据权利要求4所述的离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，其特征在于：所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
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