CN103899480B - 基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法。本方法具体操作步骤如下：a、系统初始化，设置跟踪误差，测量采样周期前后两次变换器电路输入电压和电流，计算前后两次功率差值；b、计算前后两次采样变换器占空比差值；c、若，占空比增加一个跟踪步长变化量K，若，占空比减小一个K；d、计算，若终止条件满足，则系统达到最大功率点；若不满足，则跳至步骤a，重复上述步骤直至终止条件满足。本方法不依赖机械测量装置测量风速或者风机转速，采用变步长占空比扰动的跟踪算法，有效提高了系统的跟踪速度、稳定性和准确性，既提高发电机输出效率和电能质量，又降低系统的复杂度和成本。

Description

基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及风力发电自动控制技术领域，是一种基于Boost变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法。

背景技术

在提倡可持续发展的今天，风能作为一种清洁的可再生能源，受到了广泛重视。中国具有丰富的风能资源，风能资源总储量约16万MW但是风能具有能量密度低、随机性、不稳定性等特性，为了在不同的风速下充分利用风能，最大限度地提高风力发电系统的转换效率，必须采取措施对发电机输出功率加以控制，保证风力发电机始终工作在最大功率点，实现风能利用最大化。

目前常规的最大功率跟踪（MPPT，Maximum Power Point Tracking）控制方法有叶尖速比法（TSR）、功率信号反馈法（PSF）和爬山搜索法（HCS）。这三种方法都存在自己的缺点：叶尖速比法需要采用机械传感器测量风速和风轮转速，还需要知道风力机固有的叶尖速比曲线。功率信号反馈法也需要采用机械传感器测量风轮转速，还需要知道风力机固有的最优功率转速曲线。前两种增加了系统的实际成本，并且风机特征曲线在风机使用时间久后实际曲线将会偏离原有曲线，使得风能MPPT跟踪不准确。爬山搜索法无需测量风速或者转速，也无需知道具体的风轮机的功率特性，采用固定的转速扰动使风机风能捕获最大化，但是该方法在跟踪时采用固定的扰动步长，扰动步长过小时，响应速度慢，降低了跟踪的快速性；扰动步长过大时，功率在最大功率点处附近振荡，导致跟踪的最大功率点与实际值相差大，降低了风能转换效率。

由于的升压和负载调节作用，适合在小型风力发电系统中进行最大功率跟踪。对Boost类变换器电路中进行占空比扰动和对发电机进行转速扰动是等效的，本发明提出了一种新的最大功率跟踪算法，该方法只需要测量Boost类变换器电路的输入电压和输入电流，采用变步长占空比扰动的跟踪算法，实现风力发电系统的最大功率跟踪，有效提高了系统的跟踪速度和稳定性，既能提高发电机输出效率和电能质量，又能降低系统的复杂度和成本。

发明内容

为了克服目前常规的最大功率点跟踪方法的缺点，本发明提出了一种基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法，该方法无需机械测量装置测量风速或者风机转速，采用变步长占空比扰动的跟踪算法，有效提高了系统的跟踪速度、稳定性和准确性。

本发明提出的MPPT方法的具体操作步骤如下：

a、系统初始化，设置跟踪误差，分别测量采样周期前后两次Boost类变换器电路输入电压和电流，计算输入功率，并计算前后两次功率差值∆P；

b、从控制器MCU中获取两次采样时刻的变换器占空比，并计算器占空比差值∆D；

c、根据功率差值∆P的正负来确定占空比的变化方向，如果∆P>0，占空比增加一个跟踪步长变化量K值，如果∆P<0，占空比减小一个跟踪步长变化量K值；

d、计算，判断终止条件是否满足，若满足，则风力机达到最大功率点；若不满足，则跳转至步骤a，重复上述步骤直至终止条件满足。

本发明与现有常规方法相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明不依赖机械传感器测量风速或者风机转速，也不依赖风场和风机的任何特性，降低了风力发电系统实际应用成本，该方法可以适应风速的快速变化，能够快速的实现风能最大功率点的跟踪控制，能够抑制最大功率点附近功率扰动，提高电能质量。

附图说明

图1是本发明的算法流程图。

图2风力机输出功率转速曲线示意图。

图3是本发明所述的系统控制结构图。其中标号：发电机1，整流器2，Boost类变换器3，负载4，电压电流检测电路5，驱动电路6，MPPT控制器7。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1， 本实施例基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于在Boost类变换器电路中，通过改变电路占空比控制发电机输出功率，具体操作步骤如下：

a、系统初始化，设置跟踪误差，分别测量采样周期前后两次Boost类变换器电路输入电压和电流，计算输入功率，并计算前后两次功率差值∆P；

b、从控制器MCU中获取两次采样时刻的变换器占空比，并计算占空比差值∆D；

c、根据功率差值∆P的正负来确定占空比的变化方向，如果∆P>0，占空比增加一个跟踪步长变化量K值，如果∆P<0，占空比减小一个跟踪步长变化量K值；

d、计算，判断终止条件是否满足，若满足，则风力机达到最大功率点；若不满足，则跳转至步骤a，重复上述步骤直至终止条件满足。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述变步长变化量K为：

式中：步长变化量K，D为电路占空比，A为步长扰动因子，n为步长衰减因子，e是自然对数，前后两次采样功率差值∆P，前后两次采样占空比差值∆D。

实施例三：

本实施例基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法，其理论依据如下：

风力发电机系统运行在最大功率点时，发电系统如图2所示，风机功率与风机转速存在如下关系：

（1）

展开得到：

（2）

式中：-风机捕获功率，-风机机械角速度，D-Boost电路占空比，-Boost电路输入电压，-发电机相电压角速度。

在Boost电路中，输入电压和输出电压存在如下关系：

（3）

（4）

风机机械角速度与发电机相电压角速度关系如下：

（5）

（6）

又Boost电路输入电压是发电机输出电压整流后的电压，它们成正比关系，且与发电机转速成正比关系，因此：

（7）

（8）

综合（2）-（8）得到：

（9）

式（9）证明在最大功率跟踪时对发电机进行转速扰动与对占空比扰动是等效的，即通过对占空比扰动可以实现风机输出功率最大化。在实际最大功率跟踪过程中，本发明设置跟踪误差，根据是条件，判断系统是否跟踪到最大功率点。

本实施例提出的MPPT方法的控制流程如图1所示，步骤如下：

步骤1：程序初始化，设置D_o 、A、n和的值，开始跟踪。

步骤2：采样前后两次Boost类变换器输入电压和输入电流，计算输入功率，并计算前后两次功率差值∆P，

步骤3：从控制器MCU中获取两次采样时刻的变换器占空比并计算器占空比差值∆D。

步骤:4：分别计算和占空比步长变化量的值。

步骤5：根据∆P的正负来确定占空比的变化方向，如果∆P>0，跟踪步长变化量K的符号为正，占空比增加一个K值，如果∆P<0，跟踪步长变化量K的符号为负，占空比减小一个K值。

步骤6：判断终止条件是否满足，若满足，则风力机达到最大功率点；若不满足，则跳转至步骤2，重复上述步骤直至终止条件满足。

Claims (2)

1.一种基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法，在Boost类变换器电路中，通过改变电路占空比控制发电机输出功率，其特征在于该方法的具体操作步骤如下：

a、系统初始化，设置跟踪误差 ，分别测量采样周期前后两次Boost类变换器电路输入电压和电流，计算输入功率，并计算前后两次功率差值∆P；

b、从控制器MCU中获取两次采样时刻的变换器占空比，并计算占空比差值∆D；

c、根据功率差值∆P的正负来确定占空比的变化方向，如果∆P>0，占空比增加一个跟踪步长变化量K值，如果∆P<0，占空比减小一个跟踪步长变化量K值；

d、计算，判断终止条件是否满足，若满足，则风力机达到最大功率点；若不满足，则跳转至步骤a，重复上述步骤直至终止条件满足。

2.根据权利要求1所述的基于Boost类变换器的风力发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于所述步长变化量K为：

式中：步长变化量K，D为电路占空比，A为步长扰动因子，n为步长衰减因子，e是自然对数，前后两次采样功率差值∆P，前后两次采样占空比差值∆D。