基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤仿真研究

李超+蘇禹 張恩+林顯富??

摘要：基于風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率因環(huán)境風(fēng)速變化而改變，本文選用LabVIEW為仿真平臺(tái)建立風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)的追蹤系統(tǒng)。首先根據(jù)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲輸出功率公式，在LabVIEW平臺(tái)上搭建了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模塊、風(fēng)力機(jī)控制模塊、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、風(fēng)速變化判斷模塊等。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)擾動(dòng)法存在的追蹤精度等問(wèn)題，利用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法對(duì)輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，使風(fēng)力機(jī)的輸出功率保持在最大輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)在不同的仿真風(fēng)速環(huán)境下，能有效的追蹤風(fēng)力機(jī)最大輸出功率點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；LabVIEW；變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法

中圖分類號(hào)：TK89文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.006

1引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求也在不斷提高，我國(guó)已是能源消費(fèi)大國(guó)之一[1]。面對(duì)日趨緊張的局勢(shì)，可持續(xù)發(fā)展的理念已得到大家的共識(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家將注意力放在了新能源的研究與開(kāi)發(fā)上。

我國(guó)地域遼闊，海岸線3.2萬(wàn)公里，風(fēng)能資源十分豐富，而且風(fēng)力發(fā)電日益受到世界各國(guó)的青睞，成本也越來(lái)越低。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，風(fēng)力發(fā)電成本將會(huì)繼續(xù)降低，到2020年，有望達(dá)到3美元/度[2]。綜上所述，為了最大限度的利用風(fēng)能，需對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，使其可以保持在最大功率點(diǎn)輸出。

常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法主要有最佳葉尖速比法[3][4]、功率信號(hào)反饋法[5][6]和擾動(dòng)觀察法[7][8]等。最佳葉尖速比法控制原理簡(jiǎn)單，需要預(yù)先知道風(fēng)機(jī)的最佳葉尖速比λ，同時(shí)還需要安裝測(cè)速儀對(duì)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，這增加了系統(tǒng)成本，也降低了系統(tǒng)的可靠性；功率信號(hào)反饋法控制原理簡(jiǎn)單，風(fēng)力機(jī)輸出功率的波動(dòng)也相對(duì)較小，由于需要測(cè)量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和預(yù)先準(zhǔn)確地測(cè)得風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，這就影響了控制精度，增加了成本；傳統(tǒng)擾動(dòng)法不需要測(cè)量風(fēng)速及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，也不需要預(yù)先測(cè)得風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，但步長(zhǎng)的選擇是一大難點(diǎn)，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)最大功率跟蹤速度快，但在最大功率點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)較大的功率振蕩；步長(zhǎng)較小時(shí)，最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩會(huì)顯著減弱，但系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)能力會(huì)變差。為了彌補(bǔ)以上問(wèn)題，使用改進(jìn)的擾動(dòng)法對(duì)風(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。

LabVIEW具有良好的人機(jī)交互界面、計(jì)算機(jī)圖形化顯示可以讓研究人員更清楚的看出風(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤的實(shí)時(shí)情況，而其本身是圖形化編程語(yǔ)言，且提供各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可將其與測(cè)量硬件連接，方便地完成信號(hào)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理等許多通常的任務(wù)。本文基于LabVIEW仿真平臺(tái)對(duì)風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。

2風(fēng)力機(jī)最大輸出功率追蹤設(shè)計(jì)的原理

3穩(wěn)定輸出最大功率的控制策略

4LabVIEW仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，即將風(fēng)力機(jī)的各部分控制模塊設(shè)計(jì)成子VI。該風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)主要包括求取利用系數(shù)Cp模塊、風(fēng)速變化判斷模塊、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、求取輸出功率模塊等。根據(jù)控制流程圖圖5，在LabVIEW軟件中，將各個(gè)模塊編程后進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并選用條件循環(huán)結(jié)構(gòu)作為總體結(jié)構(gòu)，程序框圖如圖6所示：

4.1風(fēng)速變化判斷模塊

根據(jù)公式（5）可知，葉尖速比與風(fēng)速成反比，因此風(fēng)能利用系數(shù)Cp是變化的。所以，對(duì)于風(fēng)速的變化，也需進(jìn)行考慮。

風(fēng)速變化情況的判斷：對(duì)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并作為一個(gè)輸入變量，并與上次的風(fēng)速變量進(jìn)行運(yùn)算比較，由差值來(lái)判斷風(fēng)速變化情況，進(jìn)而對(duì)風(fēng)速變量進(jìn)行調(diào)整，并決定是否把觸發(fā)信號(hào)傳送給風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型子VI，為了防止風(fēng)速突變而引起的輸出功率突變，在程序塊中額外添加調(diào)整風(fēng)速變量，使系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)中風(fēng)速變化為每秒增加0.05 m/s，而且還有10 ms的等待時(shí)間，因此系統(tǒng)可得到很好的緩沖。其程序框圖如圖7所示： 4.2風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊

觀察曲線圖三與圖四后，決定采用擾動(dòng)觀測(cè)法，但是傳統(tǒng)擾動(dòng)法步長(zhǎng)是固定的，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)最大功率跟蹤速度快，但在最大功率點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)較大的功率振蕩，從而無(wú)法做到對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤；步長(zhǎng)較小時(shí)，最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩會(huì)顯著減弱，但系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)能力會(huì)變

4.3風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)前面板

風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改及波形監(jiān)控的功能，建立一個(gè)的虛擬風(fēng)力機(jī)模型，風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)主界面主要通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后，風(fēng)機(jī)半徑及風(fēng)速的數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)力機(jī)控制模塊，最后計(jì)算出功率，并給出了數(shù)值顯示模塊及波形圖。

5結(jié)果與分析

圖9中，AB段為在風(fēng)機(jī)半徑為0.8 m，風(fēng)速為7 m/s的情況下，風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)到最大功率點(diǎn)的過(guò)程，其中曲線1為加入了改進(jìn)擾動(dòng)法的風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線；曲線2為無(wú)控制算法的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)仿真曲線；曲線3為加入了傳統(tǒng)擾動(dòng)法的風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線；BC段為風(fēng)速上升到8 m/s時(shí)的仿真曲線，從圖中可看出，無(wú)控制算法的風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速變化的情況下會(huì)突變，這對(duì)于硬件壽命及電路安全都是有很大影響的，而加入了控制算法的風(fēng)力機(jī)曲線緩慢上升，系統(tǒng)得到了緩沖，減小了功率突變；CD段為風(fēng)速下降回7 m/s時(shí)的仿真曲線，無(wú)控制算法的風(fēng)力機(jī)由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，已經(jīng)有下降的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，發(fā)生了突降，然后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，輸出功率下降；加入了控制算法的風(fēng)力機(jī)根據(jù)風(fēng)速變化緩慢變化，且能夠保持著最大功率輸出，但是從BD這一過(guò)程可以看出，使用傳統(tǒng)擾動(dòng)法的曲線3存在著明顯的振蕩，而運(yùn)用改進(jìn)擾動(dòng)法的曲線1穩(wěn)定地輸出功率，而且輸出功率的波動(dòng)有減輕，在輸出功率顯示框中可看出當(dāng)?shù)竭_(dá)最大輸出功率時(shí)，數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定。仿真結(jié)果顯示改進(jìn)擾動(dòng)法對(duì)風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)追蹤是穩(wěn)定有效的。

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