基于模糊控制結(jié)合擾動(dòng)觀察法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略

李梓萌,李洪舉,馮 潔

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590；2.山東電力建設(shè)第二工程公司，山東濟(jì)南250100)

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基于模糊控制結(jié)合擾動(dòng)觀察法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略

李梓萌1,李洪舉2,馮 潔1

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590；2.山東電力建設(shè)第二工程公司，山東濟(jì)南250100)

分析了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性及最大功率點(diǎn)追蹤條件，針對(duì)其特點(diǎn)結(jié)合模糊控制法與擾動(dòng)觀察法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于模糊控制的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察方法，當(dāng)外界風(fēng)速發(fā)生突變時(shí)，首先利用模糊控制快速定位至最大功率點(diǎn)附近，再使用提出的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法精確定位并使系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處；仿真結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，該方法能夠較快追蹤到系統(tǒng)最大功率，并能夠穩(wěn)定在該點(diǎn)，同時(shí)兼顧快速性與穩(wěn)定性。

風(fēng)力發(fā)電；擾動(dòng)觀察法；模糊控制；MPPT

0 引言

隨著電力需求的迅速增長(zhǎng)，煤、石油、天然氣等常規(guī)資源日益枯竭，對(duì)電力系統(tǒng)可再生新能源的利用顯得尤為重要。風(fēng)電無(wú)污染、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)使之近年來(lái)備受關(guān)注[1]。

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用變速恒頻技術(shù)，提高了風(fēng)電機(jī)組效率，機(jī)械傳動(dòng)部件的減少降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪音，提高了整機(jī)效率，同時(shí)降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本[2，3]。但由于其風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速只能以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)能捕獲效率不可能永遠(yuǎn)保持在最佳值，造成了能量的浪費(fèi)和效率的降低，因此追蹤最大風(fēng)能以增加最大發(fā)電量的控制技術(shù)成為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一[4，5]。

1 風(fēng)力機(jī)模型及MPPT追蹤條件

風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，將波動(dòng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)提供的機(jī)械功率為：

(1)

式中:ρ為空氣密度，kg/m3；v為風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度，m；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

由氣體動(dòng)力學(xué)原理和相關(guān)試驗(yàn)證明得出，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)能能量轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp與葉尖速比λ、槳距角θ存在著一定的函數(shù)關(guān)系：

(2)

(3)

式中：ω為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械角速度，rad/s；R為風(fēng)力機(jī)的葉輪半徑，m。

由圖1風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線可知，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)速越大，相同轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)力機(jī)的輸出功率越大，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，存在唯一的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωm使得輸出功率達(dá)到最大。

圖1 風(fēng)機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

由以上分析可知風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)取得最大輸出功率的條件為：

(4)

亦可寫成如下形式：

(5)

式中：ωm為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；D為占空比；ωe為發(fā)電機(jī)角頻率。

在Boost升壓電路中，輸出電壓Uo與輸入電壓Uin的關(guān)系為：

(6)

可知：

(7)

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωm和角頻率ωe關(guān)系可表示為：

(8)

式中：p表示發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，可知：

(9)

永磁發(fā)電機(jī)相電流Ia與相電壓Ua滿足關(guān)系式

(10)

(11)

式中：ka表示電樞繞組匝數(shù)；永磁發(fā)電機(jī)磁通量φ為常數(shù)，可改寫為Ua=kbωe，kb為常數(shù)。三相不可控整流電路輸出電壓與發(fā)電機(jī)相電壓成比例：

(12)

(13)

由式(7)、(9)和式(13)推出：

(14)

由上述推導(dǎo)可以得知，可以將改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)追蹤最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)化為控制Boost升壓電路PWM占空比D的方式，相比于控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速這一方式更易于操作。

2 改進(jìn)的MPPT控制算法

2.1 模糊控制器原理及設(shè)計(jì)

圖2 模糊控制的三角隸屬度函數(shù)

圖3 最大風(fēng)能模糊控制器

2.2 多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法原理及設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，擾動(dòng)觀察法是最常用的最大風(fēng)能跟蹤控制方式[7]，該方法按照一定的時(shí)間間隔每次固定增加或減小一個(gè)微小的功率變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比ΔDm，并觀察占空比變化后光伏電池的輸出功率；然后將占空比變化前后的系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行對(duì)比來(lái)決定下一時(shí)刻占空比的變化趨勢(shì)(增大或減小)，這種方法雖然簡(jiǎn)便易行，但若ΔDm設(shè)置較小則趨于最大功率點(diǎn)的效率會(huì)降低，若ΔDm設(shè)置較大則有可能在最大功率點(diǎn)處發(fā)生震蕩[8]。

現(xiàn)有的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法[9]為了應(yīng)對(duì)風(fēng)速發(fā)生突變的情況將占空比設(shè)為一大一小兩個(gè)等級(jí)，但這種方式由于步長(zhǎng)區(qū)分并不明顯，導(dǎo)致在系統(tǒng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確找到該點(diǎn)，從而使系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此本文提出一種改進(jìn)的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，具體流程圖如圖4所示。

圖4 多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程圖

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，針對(duì)其時(shí)變、非線性、大慣性以及大滯后等特點(diǎn)[11]，本文將擾動(dòng)觀察法與模糊控制法相結(jié)合，在風(fēng)速突變時(shí)首先使用模糊控制算法快速定位到風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)附近，延時(shí)0.1 s后再使用本文提出的改進(jìn)型多等級(jí)擾動(dòng)觀察法使之穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，在保證精確度的前提下提高了追蹤速度。

3 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB/simulink工具箱搭建風(fēng)力發(fā)電部分的仿真模型[12]。設(shè)定風(fēng)速初始值為7 m/s，風(fēng)輪半徑2 m，槳距角為0°。系統(tǒng)采用obe23tb算法，仿真時(shí)間為5 s。在3 s時(shí)，風(fēng)速由7 m/s變?yōu)?0 m/s。分別對(duì)采用原有變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法、多等級(jí)擾動(dòng)觀察法和模糊控制與擾動(dòng)觀察法相結(jié)合方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，輸出功率如圖5至7所示。

圖5 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法輸出功率

圖6 多等級(jí)擾動(dòng)觀察法輸出功率

從仿真結(jié)果可以看出，采用原有變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的輸出功率在風(fēng)速突變時(shí)響應(yīng)速度較慢，整個(gè)過(guò)程大約需要0.9 s，并且系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生震蕩，可能會(huì)產(chǎn)生誤判，給系統(tǒng)帶來(lái)更大誤差。采用本文提出的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能夠較快響應(yīng)風(fēng)速的變化，相比于原有變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，這一方法使得系統(tǒng)震蕩明顯減小，但是由于算法的局限性，在響應(yīng)初期速度較慢。采用基于模糊控制的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能夠使系統(tǒng)在風(fēng)速變化初期響應(yīng)速度加快，使系統(tǒng)穩(wěn)定的過(guò)程縮短到0.5 s，并且其輸出功率震蕩明顯減小，消除了誤判現(xiàn)象。

圖7 基于模糊控制的多等級(jí)擾動(dòng)觀察法輸出功率

4 結(jié)論

文章由直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率特性，結(jié)合模糊控制與擾動(dòng)觀察法控制提出基于模糊控制的多等級(jí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察MPPT控制方法，通過(guò)理論分析與仿真分析，驗(yàn)證這一方法能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率的追蹤，并同時(shí)兼顧了快速性和穩(wěn)定性，能夠在一定程度上提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率。

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The Research of MPPT Control Strategy Based on the P&O Method Combined with Fuzzy Control Method of Wind Power Generation System

LI Zimeng1, LI Hongju2, FENG Jie1

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China；2.The Second Engineering Company of Shandong Electric Power Construction,Jinan 250100,China)

This paper analyzes the output characteristics and maximum power point tracking conditions of the permanent magnet wind generator.In view of its own characteristics, combined with the advantages and disadvantages of the fuzzy control method and perturbation and observation method, a multi-level variable step perturbation and observation method based on fuzzy control is proposed in this paper.When the wind speed outside mutated, firstly, the quick voltage location near the maximum power point by using fuzzy control is conducted, and then the multi-level variable step perturbation and observation method proposed in this paper would be used to locate precisely and make the system stabilize at the maximum power point.The simulation results show that the method can quickly track the maximum power, and stabilize at that point, which is superior compared with the traditional variable step perturbation and observation methods by taking into account both rapidity and stability.

wind power；disturbance perturbation and observation method；fuzzy control；MPPT

2016-07-27。

李梓萌(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，E-mail:1371261063@qq.com。

TM73

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.004