一種改進(jìn)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法的研究

李金喜，賁禮進(jìn)，葉理想

一種改進(jìn)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法的研究

李金喜1，賁禮進(jìn)2，葉理想1

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 221006；2.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省風(fēng)光互補發(fā)電中心，江蘇 南通 221006)

提出了一種易于實現(xiàn)的自適應(yīng)變步長MPPT控制策略，通過實驗驗證該策略的有效性。試驗結(jié)果表明, 該控制策略可使小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點，能有效增加小型風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量，提高小型風(fēng)力機的發(fā)電效率。

風(fēng)力發(fā)電；最大風(fēng)能捕獲；MPPT；控制方法

0 引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其無污染、可再生，在國內(nèi)外受到廣泛的關(guān)注。目前，大型風(fēng)力發(fā)電項目技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而對于一些可在較大空間范圍內(nèi)靈活使用的戶用、船用及其他離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機，由于其風(fēng)能利用系數(shù)較低，以致發(fā)電效率及性價比偏低，從而限制了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的普及。研究表明，獲取最大功率是風(fēng)電系統(tǒng)在同樣的風(fēng)速下輸出更多電能的關(guān)鍵，如果控制小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一直運行在最大功率點,則可有效提高該系統(tǒng)的年發(fā)電量。

為了提高小型風(fēng)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，本文提出一種快速MPPT控制算法，設(shè)計、制作了相應(yīng)的控制器，并以小功率船用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為試驗對象，搭建了一套配有監(jiān)控系統(tǒng)的小型離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電試驗系統(tǒng)，驗證了該算法的有效性。

1 風(fēng)力機功率輸出特性

風(fēng)力機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，風(fēng)力機利用風(fēng)能的能力直接決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。而風(fēng)能大小與氣流密度、通過的面積及氣流速度的立方成正比，風(fēng)力機實際能得到的有用功率輸出為[1-2]：

(1)

其中：Pwt為風(fēng)力機獲取的風(fēng)能量，W；ρ為風(fēng)力機所在環(huán)境空氣密度,kg/m3；v為外界自然風(fēng)的速度,m/s；S為風(fēng)力機葉輪的截面積,m2；CP為風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)。

由貝茲定理可知，風(fēng)能的利用系數(shù)CP與風(fēng)力機的葉尖速比有關(guān)。葉尖速比λ為風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比[3]，即：

(2)

其中：ω為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，r/min；R為風(fēng)力機葉輪的半徑,m。Cp(λ)與λ的關(guān)系如圖1所示。對于定槳矩風(fēng)力機，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)力機固有的葉尖速比λ。由公式(2)可知，當(dāng)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速保持在一個最佳值時，若葉尖速比λ達(dá)到其最優(yōu)值λopt，此時在該風(fēng)速下轉(zhuǎn)換效率最高，風(fēng)力機捕捉的風(fēng)能功率最大，可輸出最大機械功率。不同風(fēng)速下，通過控制風(fēng)機使其運轉(zhuǎn)在合適的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)風(fēng)力機在最佳葉尖速比λopt下運轉(zhuǎn)，使CP在很大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均能保持最大值，從而實現(xiàn)MPPT的功能，使風(fēng)能得到最大程度的利用。

圖1 風(fēng)機特性Cp-λ曲線

2 MPPT控制策略

2.1 MPPT控制原理

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，所用風(fēng)力機多為永磁同步發(fā)電機，系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示，主要包括永磁同步發(fā)電機、三相不可控整流器、DC-DC直流變換器、負(fù)載等。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，直流變換器既可起到風(fēng)力發(fā)電機與負(fù)載之間的電壓匹配作用，也能通過改變直流電壓變換器的輸入電阻，使發(fā)電機處于最大輸出電功率狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)占空比D可改變直流變換器的輸入電阻，改變發(fā)電機的負(fù)載等效電阻，進(jìn)而改變發(fā)電機的負(fù)載特性。當(dāng)占空比增大時，等效阻抗變大，發(fā)電機等效負(fù)載變大，轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)占空比減小時，等效阻抗變小，發(fā)電機負(fù)載變小，轉(zhuǎn)速上升。通過直接調(diào)整直流變換器的占空比D，可實現(xiàn)與直接調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速相同的作用。因此可以通過調(diào)節(jié)直流變換器的占空比來改變發(fā)電機的負(fù)載特性和輸出功率，從而實現(xiàn)MPPT控制策略。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2.2 自適應(yīng)變步長擾動觀察法的提出

風(fēng)力發(fā)電機最大功率捕捉的方法有3種[4]：葉尖速比控制、功率信號反饋、功率信號擾動控制。功率信號擾動控制法，因與風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性沒有關(guān)系,通用性較好且實現(xiàn)較容易,是一種被普遍采用的MPPT控制算法。

傳統(tǒng)的功率信號擾動控制法，每隔一定的時間用方向一致的定長步長來改變風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出，并觀測風(fēng)力發(fā)電機輸出功率的變化，以此改變擾動的方向。該控制算法易于硬件實現(xiàn)，但該方法的跟蹤步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧。

對風(fēng)力發(fā)電機輸出功率的情況進(jìn)行分析可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出功率變化ΔP≥0時，直流變換器占空比的變化ΔD始終與風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速差Δω的變化方向相反；當(dāng)ΔP<0時，ΔD的變化始終與Δω的變化規(guī)律保持一致。因此本文提出一種通過測量風(fēng)力發(fā)電機輸出交流電源的頻率的變化從而確定風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速差Δω，由Δω和ΔP的極性確定功率擾動方向，而由ΔP的大小確定擾動幅度的一種自適應(yīng)變步長擾動觀察法，實現(xiàn)MPPT控制功能。自適應(yīng)變步長擾動觀察法原理框圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)變步長擾動觀察法原理框圖

2.3 自適應(yīng)變步長擾動觀察法流程圖

以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，取占空比D為控制變量。依據(jù)兩次采樣時刻風(fēng)力發(fā)電機輸出功率變化量ΔP及風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的變化量Δω和上一時刻占空比步長Dk-1，決定下一時刻占空比步長Dk。

Dk=Dk-1+Sign(Pk-Pk-1)×

Sign(ωk-ωk-1)×|Dk-1-Dk-2|×ε.

(3)

其中：Dk、Dk-1、Dk-2分別為k、k-1、k-2時刻的占空比；Pk、Pk-1分別為k、k-1時刻風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率；ωk、ωk-1分別為k、k-1時刻風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速；ε為占空比擾動系數(shù)。則k時刻和k-1時刻風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率的變化量ΔP=Pk-Pk-1；k和k-1時刻風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的變化量Δω=ωk-ωk-1。另規(guī)定，當(dāng)ΔP≥0時，Sign(Pk-Pk-1)=1；當(dāng)ΔP<0時，Sign(Pk-Pk-1)=-1；當(dāng)Δω>0時，Sign(ωk-ωk-1)=1；當(dāng)Δω<0時，Sign(ωk-ωk-1)=-1。故式(3)中Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)只能為1或-1。由前面分析可知，當(dāng)Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)=1時，風(fēng)力機的實際工作點在最大功率點左側(cè)；當(dāng)Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)=-1時，風(fēng)力機的實際工作點在最大功率點右側(cè)。ε用來調(diào)節(jié)直流變換器的PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率，擾動系數(shù)ε選得越大，則PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率就越快，相應(yīng)地對最大功率點的跟蹤速度就越快，但過大的ε值會引起風(fēng)力機輸出功率的大幅度波動，對系統(tǒng)穩(wěn)定性不利；而過小的ε值會造成系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性變差。本文依據(jù)ΔP與Pk的比值在線動態(tài)調(diào)整ε的大小。根據(jù)以上分析，得到的變步長擾動觀察法流程如圖4所示。其中，ωk為當(dāng)前時刻風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，Uk為風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓，Ik為風(fēng)力發(fā)電機輸出電流，θ為改變步長的閥值。當(dāng)ΔP<θ時，占空比D保持不變，若ΔP≥θ時，在線調(diào)整D的大小。

圖4 自適應(yīng)變步長擾動觀察法流程圖

3 實驗驗證

基于上述研究，搭建了一套離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖5所示。主要包括風(fēng)力機、模擬風(fēng)場(由鼓風(fēng)機及變頻器構(gòu)成)、蓄電池組、MPPT控制器及監(jiān)控系統(tǒng)。采用一臺額定功率為400 W的三相交流永磁同步發(fā)電機，系統(tǒng)主要由MPPT控制器、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、直流變換器模塊等組成。MPPT控制器主控芯片采用MICROCHIP公司的PIC16F877。

圖6記錄了當(dāng)模擬風(fēng)場設(shè)定的風(fēng)速在不同階段時風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況。從實驗結(jié)果可以看出：隨著風(fēng)速的變化，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，能快速實現(xiàn)跟蹤功能；而在風(fēng)速穩(wěn)定的情況下，由于占空比的步長較小，振蕩較小，且基本上能做到短時間內(nèi)消除振蕩。

圖5 小型風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文采用自適應(yīng)變步長擾動觀察算法對小型風(fēng)力機最大功率跟蹤進(jìn)行了研究，并驗證了此種追蹤方法的可行性。實驗結(jié)果表明,自適應(yīng)變步長擾動觀察法具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,可有效提高小型發(fā)

電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

圖6 實驗監(jiān)控界面

[1] 張玉華,李振凱.基于模糊控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電力,2007,24(6):58-61.

[2] Miland H, Glockner R, Taylor P. Load control of a wind-hydrogen stand-alone power system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(9):1215-1235.

[3] Pan Ching-Tsai, Juan Yu-Ling.A novel sensor-less MPPT controller for a high-efficiency micro-scale wind power generation system[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(1):207-216.

[4] 王群京,王濤,李國麗.小型風(fēng)光互補MPPT控制的研究[J].電氣傳動,2009,39(5):40-43.

MPPT Strategy Based on Improved Control Method for Small Wind Power System

LI Jin-xi1, BEN Li-jin2, YE Li-xiang1

(1.Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 221006, China; 2.Jiangsu R&D Center of Wind-solar Hybrid Power Supply Engineering Technology, Nantong 221006, China)

A type of adaptive variable step size MPPT control method is proposed. An MPPT controller is designed and a stand-alone wind energy generation system is established. The experiment results indicate that the method can ensure wind power system to realize MPPT rapidly，steadily and accurately，and improve the efficiency of the small wind power generation system effectively.

wind power; maximal wind energy capture; MPPT； variable step size

1672- 6413(2015)06- 0145- 03

2015- 06- 18；

2015- 11- 15

李金喜(1981-)，男，江蘇銅山人，講師，碩士，研究方向：測控技術(shù)。

TK83

A

江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題(FYKY/2013/5)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃(201310958004Y)