CN102664411A - 一种最大功率跟踪的风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种最大功率跟踪的风力发电系统及其控制方法，系统包括发电模块、变流模块、控制模块和检测模块，发电模块包括风力发电机组和蓄电池组，变流模块包括有源电力滤波器、整流电路、斩波电路、逆变电路和三相滤波器；控制模块包括ARM处理器、蓄电池控制器、触发电路和最大功率跟踪控制器；检测模块包括信号采集电路和AD转换器。本发明方法通过测量谐波和电压的波动，降低电网和负载中的谐波含量、电压的波动和闪变，减小谐波对电力系统和用电设备的危害。变流模块使电能快速进行交直流的转化，满足本地直流负载需求，保证输出电能的质量。采用在不同条件下三档最大功率跟踪使风能发电系统得到最有效利用，增大发电的效率和获得电能的电能质量。

Description

一种最大功率跟踪的风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电与电气技术领域，具体涉及一种最大功率跟踪的风力发电系统及其控制方法。

背景技术

近年来，由于煤电油供求关系明显趋紧，导致我国石油进口量与日俱增，能源供应不足已成了目前制约我国经济发展的重要因素。传统的矿石能源由于储量不足和环境污染等问题已经不能满足人们生活的需要。从长远来看，开发和利用新能源和可再生能源是解决中国能源和能源环境问题的重要措施之一，其中风能的利用尤为重要。风力发电作为目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视，并得到了广泛的开发和利用。

为了提高风能的利用率，目前多采用最大功率跟踪技术。现阶段常规的最大功率跟踪方式分别是：叶尖速比控制法、功率信号反馈法和爬山搜索法。叶尖速比控制法具有很好的准确性和反应速度，但该方法需要测量风速，不但导致成本的增加，而且很难精确。至于功率信号反馈法和爬山搜索法在风速变化较快的情况下，会引起输出功率较大的变动。而输出功率的变动会在风电机组并网运行时引起的电压波动，电压闪变和谐波等对电力系统和负载都相当不利的因素，这些因素对于一些精密仪器来说是十分致命的。但一味的注重电能质量的提高，却又无法保证系统应有的发电效率，导致电力供应的紧张同时也增加了发电成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种最大功率跟踪的风力发电系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种最大功率跟踪的风力发电系统包括发电模块、变流模块、控制模块和检测模块。

所述发电模块包括风力发电机组和蓄电池组。

所述的风力发电机组采用直驱永磁同步发电机。

所述蓄电池组采用铅酸蓄电池，各蓄电池之间并联，蓄电池储存多余电能，在供电紧缺时补充电能，平衡逆变器与发电机组的功率差。

所述变流模块包括有源电力滤波器、整流电路、斩波电路、逆变电路和三相滤波器；整流电路采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，斩波电路采用Sepic斩波电路，逆变电路采用三相桥式SPWM逆变器。

风力发电机组发出的交流电被有源电力滤波器滤波后进入双反星形可控整流电路，经过整流电路和Sepic斩波电路之后变为电压恒定的直流电，这些电能一部分被本地直流负载直接使用，剩下的进入三相桥式SPWM逆变器，重新变为三相交流电，经过三相滤波器的滤波之后，供给交流负载使用。

所述控制模块包括ARM处理器、蓄电池控制器、触发电路和最大功率跟踪控制器。

所述触发电路采用三相桥式全控整流电路双窄脉冲触发电路。

ARM处理器对接收到的数据进行运算和处理，产生PWM波对风力发电机组的最大功率跟踪控制器、触发电路、蓄电池控制器进行驱动控制。最大功率跟踪控制器接收ARM处理器发出的PMW波，经可控整流电路将PWM波转换为机械机构能够执行的电流信号；蓄电池控制器通过接收ARM处理器发出的PWM波，经过蓄电池控制器产生控制电压，通过改变蓄电池的开关线圈中的电流，实现对蓄电池开关状态的控制，实现蓄电池充、放电状态的转换控制。

所述检测模块包括信号采集电路和AD转换器。

所述信号采集电路包括电压采集电路和电流采集电路。

系统的具体连接是：风力发电机组连接有源电力滤波器的输入端，有源电力滤波器的输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接斩波电路输入端，斩波电路输出端分别连接蓄电池组的输入端、本地直流负载输入端和逆变电路输入端，逆变电路的输出端经三相滤波器与本地交流负载连接；

信号采集电路输入端分别连连接风力发电机组的输出端和三相滤波器的输出端，信号采集电路的输出端与AD转换器的输入端相连，AD转换器的输出端与ARM处理器的AD转换端口相连，蓄电池控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，蓄电池控制器输出端连接蓄电池组，蓄电池组通过控制开关连接至斩波电路的输出端，最大功率跟踪控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，最大功率跟踪控制器的输出端与风力发电机组相连，触发电路输入端与ARM处理器IO端口相连，触发电路输出端与逆变电路输入端相连。

本装置的直驱永磁同步发电机在最大功率跟踪控制器的作用下将风轮采集到的风能转化为交流的电能，这些电能经过有源电力滤波器滤波后，进入变流模块，其中一部分被直流负载直接消耗，另一部分进入逆变电路对电能逆变处理成为交流电，再经过滤波电路消除其中的高次谐波，供给交流负载使用。最大功率跟踪控制器输出的直流电压加在控制电机两端，蓄电池控制器输出的直流电压控制开关的状态。

通过对电压u(t)信号的多次采样，通过傅里叶变换的方式得出各次谐波的幅值和相位，将此信号通过引脚反馈到ARM中，作为最大功率跟踪的依据。电压波动与闪变电路是采用小波变换多分析的方法计算出调幅波的幅值、频率和相角，进而可以得出电压的瞬时值，求出电压的波动。而电压的瞬时值应满足关系式：

式中：

A-工频载波电压的幅值，

ω₀-工频载波电压的角频率，

-工频载波电压的初相角，

α_k-调幅波电压的幅值，

ω_k-调幅波电压的角频率，

-调幅波电压的初相角，

m-调幅波的个数。

本发明的最大功率跟踪的风力发电系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采集电网中的电压瞬时值和电流瞬时值，并进行谐波检测，计算出电压谐波的总畸变率：对电压采集电路和电流采集电路采集到的采样序列进行处理，通过傅里叶变换的方式得出此刻各次谐波波形，求出电压谐波的总畸变率THD_U(％)：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{U_h}{U_1}\×100=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2}}{U_1}\×100---\left(2\right)$

式中：U_n-第n次谐波电压有效值；

U₁-基波电压有效值；

U_h-总谐波电压的有效值；

其中，谐波次数i＝2，...n；

步骤1.1：拟定输入信号是无噪声的频率为ω的正弦波电压：

其中ω＝ω₀+Δω，

ω₀＝2πf₀，f₀＝50Hz，式中：

A-电压幅值，

-初相角，

ω₀-初始角频率，

f₀-初始频率，

Δω-角频率的变化量，

ψ-电压相角的变化量；

步骤1.2：对u(t)信号每周波采样N次，产生采样序列u(n)，u(t)＝Asin(2πf₀nT₀/N+ψ)，其中T₀/N为采样的时间间隔，T₀为总需时间；

步骤1.3：对u(n)进行离散傅里叶变换并乘以相应的系数2/N得到基波分量的频谱系数U(1)，

$U\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)e^{-j(2\mathrm{\π}/N)n}=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}n-j\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n;---\left(4\right)$

令 $U_l\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}n$ $U_R\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n;$

则U(1)＝U₁(1)-U_R(1)＝Asinψ-jAcosψ；得出基波分量频谱系数U(i)的幅值为A；

步骤1.4：拟定电网含L次谐波，则其傅里叶级数的表示为：

$u\left(t\right)=a_0+\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(a_k\cos \mathrm{k\ωt}+b_k\sin \mathrm{k\ωt})---\left(5\right)$

令U(k)＝a_k+jb_k，其中k、a₀、a_k、b_k均为所设的过程变量，则各次谐波幅值 $U_{\mathrm{km}}=\sqrt{{a_k}^2+{b_k}^2},$ 相位

步骤1.5：计算电压谐波总畸变率THD_U(％)：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{U_h}{U_1}\×100=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2}}{U_1}\×100$

步骤2：检测电压波动：对电压采集电路和电流采集电路采集到的信号进行处理，得到此刻的电压波动d；

步骤2.1：将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压幅值受频率范围在0.05～35Hz的电压波动分量调制的调幅波。为使分析简化又不失一般性，将工频电压u(t)的瞬时表达式写成：

$u\left(t\right)=A[1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\cos ({\mathrm{\Ω}}_{i}t+{\mathrm{\ψ}}_i)]\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ});---\left(6\right)$

式中：

A-工频载波电压的幅值，

ω-工频载波电压的角频率，

m_i-调幅波i幅值与载波幅值之比，

Ω_i-调幅波i的角频率，

ψ_i-调幅波i的初相角，

θ-工频载波电压的初相角；

步骤2.2：设定只含有一个单频率的调幅波的待测电压对工频载波的调制，即含有电压波动的待测电压信号u(t)的瞬时表达式为：

u(t)＝A(1+mcosΩt)cosωt；                        (7)

式中：

m-调波电压的幅值，

Ω-调波电压的角频率；

对(7)式两边平方得：

$u^2\left(t\right)=\frac{A^2}{2}(1+\frac{m^2}{2})(1+\cos 2\mathrm{\ωt})+A^2[m\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{m^2}{4}\cos 2\mathrm{\Ωt}$

$+\frac{m^2}{8}\cos 2(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t]---\left(8\right)$

$\≈\frac{A^2}{2}+{\mathrm{mA}}^2\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{A^2}{2}\cos 2\mathrm{\ωt}$

步骤2.3：滤去0.05～35Hz以外的直流分量和工频及以上的频率分量，得出调幅波，即电压波动，其输出值d≈mA²cosΩt；

步骤3：依据国家指标，在低压(U_N≤1KV)、变动频度1＜r≤10的情况下，电压波动的限值为d₀(％)＝3，而0.38Kw的波源产生的电压总畸变率

设定系统最大功率跟踪指标λ，定义λ＝d/3+THD_U/2.6，则对于该指标有两个不同的限度，分别为合格限度和优质限度，合格限度： ${\mathrm{\λ}}_0=d_0/3+{\mathrm{THD}}_{U_0}/2.6=\frac{3/3+2.6/2.6}{2}=1,$ 优质限度：λ₁＝0.1；

步骤4：通过ARM处理器对采集来的信息进行处理，反馈到最大功率跟踪控制器，以确定最大功率跟踪方式并进行最大功率跟踪：

步骤4.1：判断λ≤λ₀是否成立，若不成立，则在p₀点进行恒定功率跟踪，即保持额定功率p₀跟踪；若成立，则继续进行步骤4.2的判断；

所述恒定功率跟踪，具体步骤如下：

步骤4.1.1：结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM波作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速；

步骤：4.1.2：根据

即通过控制风力发电机保持在一个合适的转速以达到功率恒定的效果；

式中：

C_Pmax-最大风能利用系数，

ρ-空气密度，

S-风机扫过的面积，

R-桨叶半径，

λ_opt-最优叶尖速比，

ω_m-风力发电机转速；

步骤4.2：通过测量获得风力发电机转速ω_T；

步骤4.3：在不同风速下测得的风机最大功率绘成最优功率曲线，在曲线的最大值处获得此时输出功率的参考值P_ref；

步骤4.4：计算风机此时的运行功率P；

步骤4.5：判断λ≥λ₁是否成立，若成立，则继续进行步骤4.6的跟踪方式，若不成立则进行步骤4.7的跟踪方式；

步骤4.6：用功率反馈法来进行最大功率跟踪：

步骤4.6.1：通过最优功率曲线判断P与P_ref的大小关系；

步骤4.6.2：将判断结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM控制信号作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速，使P＝P_ref；

步骤4.7：采用爬山搜索法进行最大功率跟踪；

步骤4.7.1：在一段长度为t的时间段T(1)内对每一点的转矩电流i_q和风机的转速ω_T进行测量；

步骤4.7.2：计算T(a)时间段内每一点的功率P₁(a)，P₂(a)......P_n(a)，并计算这段时间的平均功率

$\stackrel{\‾}{P}\left(a\right)=\frac{1}{t}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(a\right)---\left(9\right)$

式中：a为第一个检测时间段；

步骤4.7.3：在下一个长度同样为t的时间段T(a+1)内用同样的方式计算出此时的平均功率

步骤4.7.4：给风机施加一个扰动

k为设定的过程变量，比较下一时间段T(a+2)的平均功率

与前一时间段T(a+1)平均功率

的大小，若

则继续施加正向扰动，若则减小时间段的长度使

继续施加扰动，直至

与

近似相等(m为设定的过程量)，完成最大功率跟踪过程；

步骤5：风力发电机组通过最大功率控制后，通过控制模块控制变流模块对风力发电机发出的电能进行转换，供给本地交流、直流负载使用，并将多余的电能储蓄到蓄电池组中在供电紧张的时候作紧急补充。

有益效果

本发明通过对电能质量的两个重要指标，谐波和电压的波动进行测量，降低电网和负载中的谐波含量，降低电压的波动和闪变，减小谐波对电力系统和用电设备的危害程度，防止对一些对电能质量要求较高的仪器发生严重的损坏。变流模块能使电能在其中快速进行直流和交流的转化，满足了本地直流负载的需求，保证了输出电能的质量。采用在不同条件下三档最大功率跟踪使风能发电系统得到最有效的利用，增大发电的效率和获得电能的电能质量，本发明不仅能将电能就近供给本地的交、直流负载使用，还能将多余的电能储存至蓄电池组中，减轻了电力系统的负荷压力，有利于提高电力系统的稳定运行的能力。采用ARM处理器，使反应速度更加迅捷，可以在特定的时刻准确切换最大功率的跟踪状态，同时ARM处理器的高度集成化也使控制模块的体积缩小，便于人工操控。

附图说明

图1本发明实施例系统总体结构示意图，其中1为发电模块，2为变流模块，3为控制模块，4为检测模块；

图2本发明实施例变流模块电路原理图；

图3本发明实施例三相桥式SPWM逆变器的触发电路原理图；

图4本发明实施例电压采集电路的电路连接图；

图5本发明实施例电流采集电路的电路连接图；

图6本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的最大功率跟踪的风力发电系统，如图1所示，包括发电模块、变流模块、控制模块和检测模块。

所述发电模块包括风力发电机组和蓄电池组。

所述的风力发电机组采用LQ10-20KW稀土永磁直驱交流同步风力发电机；

所述蓄电池组采用LC-P12200ST铅酸蓄电池组，各蓄电池之间并联，蓄电池储存多余电能，在供电紧缺时补充电能，平衡逆变器与发电机组的功率差。LC-P12200ST铅酸蓄电池组通过控制开关连接至斩波电路的输出端。蓄电池控制器是对蓄电池状态进行控制。

所述变流模块如图2所示，包括有源电力滤波器、整流电路、斩波电路、逆变电路和三相滤波器；有源电力滤波器选用iNAS-A-240A-04-380V，整流电路采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，斩波电路采用Sepic斩波电路，逆变电路采用三相桥式SPWM逆变器，三相滤波器选用DL-80EA1，图2中，VT₁₁～VT₁₆，VT₂₁～VT₂₆均晶闸管MAC97A6，VT采用可控硅晶闸管KK1000A。

风力发电机组发出的交流电被有源电力滤波器iNAS-A-240A-04-380V滤波后进入带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，经过整流之后变为直流电，一部分供给本地直流负载使用，另一部分经过Sepic斩波电路的作用后，流入三相桥式SPWM逆变器，经过逆变器后，再次变为三相交流电，经过DL-80EA1三相滤波器滤波之后，供给本地交流负载使用。

所述控制模块包括ARM处理器、蓄电池控制器、触发电路和最大功率跟踪控制器。

ARM处理器采用型号为LPC2478的ARM7处理器，蓄电池控制器采用蓄电池智能控制器240A380V，最大功率跟踪控制器采用最大功率跟踪升压充电380V/1MW-2.5MW风力发电控制器；

所述触发电路采用KC04与KC41C组成的三相桥式全控整流电路双窄脉冲触发电路，其内部是由三块KC04移向触发器和一块六路脉冲形成集成电路KC41C组成的触发电路，可以为三相桥式全控整流电路提供6路双窄触发脉冲，如图3所示。

蓄电池控制的过程是：斩波电路输出的电压和电流经过信号调制后，再调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入ARM7处理器的PO[4]引脚，对发电机组的输出功率和逆变器的输入功率作差，判断计算结果，ARM7处理器的输出引脚PO[5]产生相应的PWM波，带有可控整流电路的蓄电池控制器输出控制直流电压U_d，控制开关K1、K2的状态。当发电机组输出功率大于三相逆变器输入功率，闭合开关K1，对蓄电池进行充电；当发电机组输出功率小于三相逆变器输入功率，闭合开关K2，蓄电池进行放电。

ARM7处理器对接收到的数据进行运算和处理，产生PWM波对风力发电机组的最大功率跟踪控制器、触发电路、蓄电池控制器进行驱动控制。最大功率跟踪控制器接收ARM7处理器发出的PMW波，经可控整流电路将PWM波转换为机械机构能够执行的电流信号；蓄电池控制器通过接收ARM7处理器发出的PWM波，经过蓄电池控制器产生控制电压，通过改变蓄电池的开关线圈中的电流，实现对蓄电池开关状态的控制，实现蓄电池充、放电状态的转换控制。

检测模块包括信号采集电路和AD转换器。

信号采集电路包括电压采集电路和电流采集电路，其中电流采集电路采用空心式互感器的采样电路，空心电流互感器二次输出的是小电压信号，不再需要大功率采样电阻，通过R1和C1的积分电路就可采样计算；电压采集电路采用网电压同步信号产生电路，其电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，该环节主要是为了滤除电力系统中的毛刺干扰。第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较，同时设计一个滞环环节来抑制干扰信号的震荡；电压采集电路和电流采集电路分别如图4和图5所示。AD转换器采用AD模数转换器芯片AD976ABN。

检测模块采集电网中的电压电流信号，通过AD转换器反馈到ARM处理器中，调整最大功率的跟踪方式以及实现最大功率跟踪的控制。

最大功率跟踪过程为：检测电路检测到的模拟信号通过ARM7处理器的PO[0]引脚进入ARM中的AD数模转换器芯片AD976ABN进行模数转换后的PWM信号进入ARM7处理器进行逻辑计算分析，计算结果通过ARM7处理器的PO[1]引脚输出的PWM波进入最大功率跟踪控制器进行处理，切换到需要的最大功率跟踪方式进行跟踪。风力发电机组输出的直流电压和电流经过信号调制后，再调理成0～+5V范围的电压、电流信号通过ARM7处理器的PO[2]引脚进入ARM中的AD数模转换器芯片AD976ABN块进行模数转换后的PWM信号进入ARM7处理器再次进行逻辑计算分析，ARM7处理器的输出引脚PO[3]产生相应的PWM波分别送入最大功率跟踪控制器的可控整流电路中可控硅的门极端，输出相应的直流电压Ud，电压Ud加在控制电机两端，完成最大功率跟踪控制。

系统的具体连接是：风力发电机组连接有源电力滤波器的输入端，有源电力滤波器的输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接斩波电路输入端，斩波电路输出端分别连接蓄电池组的输入端、本地直流负载输入端和逆变电路输入端，逆变电路的输出端经三相滤波器与本地交流负载连接；

信号采集电路输入端分别连连接风力发电机组的输出端和三相滤波器的输出端，信号采集电路的输出端与AD转换器的输入端相连，AD转换器的输出端与ARM处理器的AD转换端口相连，蓄电池控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，蓄电池控制器输出端连接蓄电池组，蓄电池组通过控制开关连接至斩波电路的输出端，最大功率跟踪控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，最大功率跟踪控制器的输出端与风力发电机组相连，触发电路输入端与ARM处理器IO端口相连，触发电路输出端与逆变电路输入端相连。

本发明的最大功率跟踪的风力发电系统的控制方法，流程如图6所示，包括如下步骤：

步骤1：采集电网中的电压瞬时值和电流瞬时值，并进行谐波检测，计算出电压谐波的总畸变率：对电压采集电路和电流采集电路采集到的采样序列进行处理，通过傅里叶变换的方式得出此刻各次谐波波形，求出电压谐波的总畸变率THD_U(％)：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{U_h}{U_1}\×100=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2}}{U_1}\×100---\left(2\right)$

式中：U_n-第n次谐波电压有效值；

U₁-基波电压有效值；

U_h-总谐波电压的有效值；

其中，谐波次数i＝2，…n；

步骤1.1：拟定输入信号是无噪声的频率为ω的正弦波电压：

其中ω＝ω₀+Δω，ω₀＝2πf₀，f₀＝50Hz，式中：

A-电压幅值，

-初相角，

ω₀-初始角频率，

f₀-初始频率，

Δω-角频率的变化量，

ψ-电压相角的变化量；

即ω₀＝50×2π＝314.159rad/s。

步骤1.2：对u(t)信号每周波采样N次，产生采样序列u(n)，u(t)＝Asin(2πf₀nT₀/N+ψ)，其中T₀/N为采样的时间间隔，T₀为总需时间；根据仿真某地的电网，其中产生的采样序列u(n)分别为u(0)、u(1)、u(2)……u(19)，采样时间为0.001s，其中N＝20；

步骤1.3：对u(n)进行离散傅里叶变换并乘以相应的系数2/N得到基波分量的频谱系数U(1)，

$U\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)e^{-j(2\mathrm{\π}/N)n}$

$=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}n-j\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n---\left(4\right)$

$=\frac{1}{10}\×\underset{n=0}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}u\left(19\right)\×0.995-\frac{1}{10}j\×\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(19\right)\×0.104$

令 $U_l\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{1}{10}\×\underset{n=0}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}u\left(19\right)\×0.995$

$U_R\left(1\right)=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{1}{10}\×\underset{n=0}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}u\left(19\right)\×0.104;$

则U(1)＝U₁(1)-U_R(1)＝Asinψ-jAcosψ；得出基波分量频谱系数U(i)的幅值为A，A＝380.245；

步骤1.4：拟定电网含L次谐波，则其傅里叶级数的表示为：

$u\left(t\right)=a_0+\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(a_k\cos \mathrm{k\ωt}+b_k\sin \mathrm{k\ωt})---\left(5\right)$

令U(k)＝a_k+jb_k，其中a₀、a_k、b_k均为所设变量，则各次谐波幅值

相位

步骤1.5：计算电压谐波的总畸变率THD_U(％)：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{U_h}{U_1}\×100=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2}}{U_1}\×100=3.452$

步骤2：检测电压波动：对电压采集电路和电流采集电路采集到的信号进行处理，得到此刻的电压波动d；

步骤2.1：将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压幅值受频率范围在0.05～35Hz的电压波动分量调制的调幅波。为使分析简化又不失一般性，将工频电压u(t)的瞬时表达式写成：

$u\left(t\right)=A[1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\cos ({\mathrm{\Ω}}_{i}t+{\mathrm{\ψ}}_i)]\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ});---\left(6\right)$

式中：

A-工频载波电压的幅值，

ω-工频载波电压的角频率，

m_i-调幅波i幅值与载波幅值之比，

Ω_i-调幅波i的角频率，

ψ_i-调幅波i的初相角，

θ-工频载波电压的初相角；

步骤2.2：设定只含有一单频率的调幅波的待测电压对工频载波的调制，即含有电压波动的待测电压信号u(t)的瞬时表达式为：

u(t)＝A(1+mcosΩt)cosωt；         (7)

式中：

m-调波电压的幅值，

Ω-调波电压的角频率；

对(7)式两边平方得：

$u^2\left(t\right)=\frac{A^2}{2}(1+\frac{m^2}{2})(1+\cos 2\mathrm{\ωt})+A^2[m\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{m^2}{4}\cos 2\mathrm{\Ωt}$

$+\frac{m^2}{8}\cos 2(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t]---\left(8\right)$

$\≈\frac{A^2}{2}+{\mathrm{mA}}^2\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{A^2}{2}\cos 2\mathrm{\ωt}$

步骤2.3：滤去0.05～35Hz以外的直流分量和工频及以上的频率分量，得出调幅波，即电压波动，其输出值d≈mA²cosΩt＝2.865％；

步骤3：依据国家指标，在低压(U_N≤1KV)、变动频度1＜r≤10的情况下，电压波动的限值为d₀(％)＝3，而0.38Kw的波源产生的电压总畸变率

设定系统最大功率跟踪指标λ，定义λ＝d/3+THD_U/2.6，则对于该指标有两个不同的限度，分别为合格限度和优质限度，合格限度： ${\mathrm{\λ}}_0=d_0/3+{\mathrm{THD}}_{U_0}/2.6=\frac{3/3+2.6/2.6}{2}=1,$ 优质限度：λ₁＝0.1；根据上述计算出的电压波动和电压谐波总畸变率可得λ＝3.452/3+2.865/2.6≈2.253；

步骤4：通过ARM7处理器对采集来的信息进行处理，反馈到最大功率跟踪控制器，以确定最大功率跟踪方式并进行最大功率跟踪：

步骤4.1：判断λ≤λ₀是否成立，若不成立，则在p₀点进行恒定功率跟踪，即保持额定功率p₀跟踪；若成立，则继续进行步骤4.2的判断；

所述恒定功率跟踪，具体步骤如下：

步骤4.1.1：结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM波作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速；

步骤：4.1.2：根据

即通过控制风力发电机保持在一个合适的转速以达到功率恒定的效果；

式中：

C_Pmax-最大风能利用系数，

ρ-空气密度，

S-风机扫过的面积，

R-桨叶半径，

λ_opt-最优叶尖速比，

ω_m-风力发电机转速；

步骤4.2：通过测量获得风力发电机转速ω_T；

步骤4.3：在不同风速下测得的风机最大功率绘成最优功率曲线，在曲线的最大值处获得此时输出功率的参考值P_ref；

步骤4.4：计算风机此时的运行功率P；

步骤4.5：判断λ≥λ₁是否成立，若成立，则继续进行步骤4.6的跟踪方式，若不成立则进行步骤4.7的跟踪方式；

步骤4.6：用功率反馈法来进行最大功率跟踪：

步骤4.6.1：通过最优功率曲线判断P与P_ref的大小关系；

步骤4.6.2：将判断结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM控制信号作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速，使P＝P_reef；

步骤4.7：采用爬山搜索法进行最大功率跟踪；

步骤4.7.1：在一段长度为t的时间段T(1)内对每一点的转矩电流i_q和风车的转速ω_T进行测量；

步骤4.7.2：计算T(a)时间段内每一点的功率P₁(a)，P₂(a)......P_n(a)，并计算这段时间的平均功率

$\stackrel{\‾}{P}\left(a\right)=\frac{1}{t}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(a\right)---\left(9\right)$

式中：a为第一个检测时间段；

步骤4.7.3：在下一个长度同样为t的时间段T(a+1)内用同样的方式计算出此时的平均功率

步骤4.7.4：给风机施加一个扰动

比较下一时间段T(a+2)的平均功率与前一时间段T(a+1)平均功率

的大小，若

则继续施加正向扰动，若

则减小时间段的长度使

继续施加扰动，直至

与

近似相等，完成最大功率跟踪过程；

步骤5：风力发电机组通过最大功率控制后，通过控制模块控制变流模块对风力发电机发出的电能进行转换，供给本地交流、直流负载使用，并将多余的电能储蓄到蓄电池组中在供电紧张的时候作紧急补充。

Claims (2)

1.一种最大功率跟踪的风力发电系统，其特征在于：包括发电模块、变流模块、控制模块、检测模块、本地直流负载和本地交流负载；

所述发电模块包括风力发电机组和蓄电池组；

所述蓄电池组中，各蓄电池之间并联，蓄电池控制器通过控制开关的开合对蓄电池状态进行控制；

所述变流模块包括有源电力滤波器、整流电路、斩波电路、逆变电路和三相滤波器；

所述控制模块包括ARM处理器、蓄电池控制器、触发电路和最大功率跟踪控制器；

所述检测模块包括信号采集电路和AD转换器；

所述信号采集电路包括电压采集电路和电流采集电路；

系统的具体连接是：风力发电机组连接有源电力滤波器的输入端，有源电力滤波器的输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接斩波电路输入端，斩波电路输出端分别连接蓄电池组的输入端、本地直流负载输入端和逆变电路输入端，逆变电路的输出端经三相滤波器与本地交流负载连接；

信号采集电路输入端分别连连接风力发电机组的输出端和三相滤波器的输出端，信号采集电路的输出端与AD转换器的输入端相连，AD转换器的输出端与ARM处理器的AD转换端口相连，蓄电池控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，蓄电池控制器输出端连接蓄电池组，蓄电池组通过控制开关连接至斩波电路的输出端，最大功率跟踪控制器的输入端与ARM处理器的IO端口相连，最大功率跟踪控制器的输出端与风力发电机组相连，触发电路输入端与ARM处理器IO端口相连，触发电路输出端与逆变电路输入端相连。

2.如权利要求1所述的最大功率跟踪的风力发电系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：采集电网中的电压瞬时值和电流瞬时值，并进行谐波检测，计算出电压谐波的总畸变率：对电压采集电路和电流采集电路采集到的采样序列进行处理，通过傅里叶变换的方式得出此刻各次谐波波形，求出电压谐波的总畸变率THD_U(％)：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{U_h}{U_1}\×100=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2}}{U_1}\×100$

式中：U_n-第n次谐波电压有效值；

U₁-基波电压有效值；

U_b-总谐波电压的有效值；

其中，谐波次数i＝2，…n；

步骤2：检测电压波动：

步骤2.1：将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压幅值受频率范围在0.05～35Hz的电压波动分量调制的调幅波，工频电压u(t)的瞬时表达式：

$u\left(t\right)=A[1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i\cos ({\mathrm{\Ω}}_{i}t+{\mathrm{\ψ}}_i)]\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ});---\left(6\right)$

式中：

A-工频载波电压的幅值，

ω-工频载波电压的角频率，

m_i-调幅波i幅值与载波幅值之比，

Ω_i-调幅波i的角频率，

ψ_i-调幅波i的初相角，

θ-工频载波电压的初相角；

步骤2.2：设定只含有一个单频率的调幅波的待测电压对工频载波的调制，即含有电压波动的待测电压信号u(t)的瞬时表达式为：

u(t)＝A(1+mcosΩt)cosωt；         (7)

式中：

m-调波电压的幅值，

Ω-调波电压的角频率；

对(7)式两边平方得：

$u^2\left(t\right)=\frac{A^2}{2}(1+\frac{m^2}{2})(1+\cos 2\mathrm{\ωt})+A^2[m\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{m^2}{4}\cos 2\mathrm{\Ωt}$

$+\frac{m^2}{8}\cos 2(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\frac{m}{2}\cos (2\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t]---\left(8\right)$

$\≈\frac{A^2}{2}+{\mathrm{mA}}^2\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{A^2}{2}\cos 2\mathrm{\ωt}$

步骤2.3：滤去0.05～35Hz以外的直流分量和工频及以上的频率分量，得出调幅波，即电压波动，其输出值d≈mA²cosΩt；

步骤3：依据国家指标，在低压即U_N≤1KV、变动频度1＜r≤10的情况下，电压波动的限值为d₀(％)＝3，而0.38Kw的波源产生的电压总畸变率

设定系统最大功率跟踪指标λ，定义λ＝d/3+THD_U/2.6，则对于该指标有两个不同的限度，分别为合格限度和优质限度，合格限度： ${\mathrm{\λ}}_0=d_0/3+{\mathrm{THD}}_{U_0}/2.6=\frac{3/3+2.6/2.6}{2}=1,$ 优质限度：λ₁＝0.1；

步骤4：通过ARM处理器对采集来的信息进行处理，反馈到最大功率跟踪控制器，以确定最大功率跟踪方式并进行最大功率跟踪：

步骤4.1：判断λ≤λ₀是否成立，若不成立，则在p₀点进行恒定功率跟踪，即保持额定功率p₀跟踪；若成立，则继续进行步骤4.2的判断；

所述恒定功率跟踪，具体步骤如下：

步骤4.1.1：结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM波作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速；

步骤：4.1.2：根据

即通过控制风力发电机保持在一个相应的转速以达到功率恒定；

式中：

C_Pmax-最大风能利用系数，

ρ-空气密度，

S-风机扫过的面积，

R-桨叶半径，

λ_opt-最优叶尖速比，

ω_m-风力发电机转速；

步骤4.2：通过测量获得风力发电机转速ω_T；

步骤4.3：在不同风速下测得的风机最大功率绘成最优功率曲线，在曲线的最大值处获得此时输出功率的参考值P_ref；

步骤4.4：计算风机此时的运行功率P；

步骤4.5：判断λ≥λ₁是否成立，若成立，则继续进行步骤4.6的跟踪方式，若不成立则进行步骤4.7的跟踪方式；

步骤4.6：用功率反馈法来进行最大功率跟踪：

步骤4.6.1：通过最优功率曲线判断P与P_ref的大小关系；

步骤4.6.2：将判断结果输入ARM处理器中，ARM处理器发出的PWM控制信号作用于最大功率跟踪控制器，通过PID调节来控制发电机的转速，使P＝P_ref；

步骤4.7：采用爬山搜索法进行最大功率跟踪；

步骤4.7.1：在一段长度为t的时间段T(1)内对每一点的转矩电流i_q和风机的转速ω_T进行测量；

步骤4.7.2：计算T(a)时间段内每一点的功率P₁(a)，P₂(a)......P_n(a)，并计算这段时间的平均功率

$\stackrel{\‾}{P}\left(a\right)=\frac{1}{t}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(a\right)---\left(9\right)$

式中：a为第一个检测时间段；

步骤4.7.3：在下一个长度同样为t的时间段T(a+1)内用同样的方式计算出此时的平均功率

步骤4.7.4：给风机施加一个扰动

比较下一时间段T(a+2)的平均功率

与前一时间段T(a+1)平均功率

的大小，若

则继续施加正向扰动，若

则减小时间段的长度使

继续施加扰动，直至

与

近似相等，完成最大功率跟踪过程；

步骤5：风力发电机组通过最大功率控制后，通过控制模块控制变流模块对风力发电机发出的电能进行转换，供给本地交流、直流负载使用，并将多余的电能储蓄到蓄电池组中在供电紧张的时候作紧急补充。

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