風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制策略研究

鄧秋玲

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制策略研究

鄧秋玲

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

為了最大限度地捕獲到風(fēng)能,變速風(fēng)電系統(tǒng)一般采用最大功率點跟蹤(MPPT)的控制策略.MPPT有三種控制方法:即最佳葉尖速比控制、功率信號回饋控制和爬山搜尋控制.前兩種方法需要準確測量風(fēng)速或需要事先測量風(fēng)力機功率曲線,在實際執(zhí)行中存在困難,爬山搜尋法與風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性沒有關(guān)系,并且可以用軟件來實現(xiàn).著重研究了爬山搜索法的三種控制算法,提出了將三點比較算法應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中.仿真結(jié)果表明:三點比較法能對步長做出試探性的變化,可以有效避免功率擾動下算法的不穩(wěn)定性.

最大功率點跟蹤;控制策略;風(fēng)力發(fā)電;爬山搜索法

0 引 言

風(fēng)能是一種隨機性很大的能量,要保證最大限度地捕獲到風(fēng)能,變速風(fēng)電系統(tǒng)目前一般采用最大功率點跟蹤(MPPT)的控制策略.文獻表明變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組采用最大功率捕獲算法方案所獲得的輸出功率比傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組要多出9%～11%[1].

一般來說,MPPT有以下三種控制方法:即最佳葉尖速比控制(TSR)、功率信號回饋(PSF)控制和爬山搜尋(HCS)控制.最佳葉尖速比法的基本思想是當風(fēng)速變化時,通過測量風(fēng)速和風(fēng)力機固有特性計算出此時的最佳轉(zhuǎn)速,并實時調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速使其始終運行于與風(fēng)速對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤.該方法需要測量風(fēng)速、轉(zhuǎn)速,因此轉(zhuǎn)子位置傳感器和風(fēng)速傳感器是必不可少的.由于需要機械傳感器,增加了控制器的成本和復(fù)雜性.另外,還需要知道風(fēng)力機固有的葉尖速比曲線,由于風(fēng)速的實時準確測量較為困難,因此該方法在實際應(yīng)用中存在一些問題.但由于該方法是最大風(fēng)能跟蹤的最直接實現(xiàn)思想,在風(fēng)速測量精確的前提下,具有很好的準確性和反應(yīng)速度.因此該方法仍然獲得了一定應(yīng)用.

在PSF控制中,必須對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中各種可能風(fēng)速下進行測試,建立最大功率曲線(如發(fā)出的功率與發(fā)電機速度之間的關(guān)系),通常用一個編碼器或測速發(fā)電機去測量電機速度,然后根據(jù)測量的發(fā)電機速度,由曲線提供一個最大功率參考值,對發(fā)電機進行功率調(diào)節(jié)保證風(fēng)力發(fā)電機運行在最優(yōu)功率曲線上實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤[2].該方法無需測量風(fēng)速,但需測量轉(zhuǎn)速,還需知道風(fēng)力機固有的最優(yōu)功率曲線.相比葉尖速比控制,該方法省去了風(fēng)速測量,具有較好的效果和更好的實用價值,但對于不同的風(fēng)輪機,最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得,這會增加功率反饋控制難度和實際應(yīng)用的成本,并且離線試驗方法獲得的最大功率曲線在實際中難以精確實現(xiàn).

爬山搜索算法是為了克服前兩種算法的缺點而提出來的,它無需測量風(fēng)速,也不需要事先知道具體風(fēng)輪機的功率特性,而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動,然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點.HCS控制通過使用特定的推理機制改變功率指令的方向使發(fā)出的功率接近最大功率[3].由于前兩種方法需要準確測量風(fēng)速或需要事先測量風(fēng)力機功率曲線,在實際執(zhí)行中存在困難,爬山搜尋法與風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性沒有關(guān)系,并且可以用軟件來實現(xiàn)[4].本文著重研究了爬山搜索法的幾種控制算法,提出了將三點比較算法應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中.

1 爬山搜索算法的基本原理

爬山搜索算法追蹤最大風(fēng)能的思路是:不間斷地對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速施以較小的擾動,計算當前風(fēng)輪機的功率P(n),并和上個控制周期的風(fēng)輪功率P(n-1)比較,如果功率下降,那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值dωT反號,否則,保持其符號不變.最后將當前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值.當風(fēng)機慣量非常小,這樣風(fēng)機速度對風(fēng)速的反映幾乎是瞬時的,爬山搜索控制運行良好.

圖1為爬山搜索算法原理圖,也就是風(fēng)力機的功率特性曲線,每一條曲線都有一個最大點,最優(yōu)的轉(zhuǎn)子速度n隨著風(fēng)速v的增加而增加.有了這種關(guān)系,我們不需要知道任何P(n)曲線的細節(jié),也不需要知道實際的風(fēng)速v.在提出的系統(tǒng)中,有兩個參數(shù)可以發(fā)生改變,根據(jù)速度控制器的設(shè)置點輸入改變風(fēng)機的速度.這意味著在風(fēng)速恒定的情況下,工作點沿著圖1中的某條P(n)曲線上下移動.如果風(fēng)速發(fā)生變化,工作點將會沿著圖中垂直軸線移到另一條P(n)曲線上.

圖1 爬山搜索算法原理圖

爬山法最大功率跟蹤控制算法是根據(jù)獲取的風(fēng)能來計算的.俘獲的風(fēng)能Pw給定為:

其中Te是電磁轉(zhuǎn)矩,ωg為發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度.

傳統(tǒng)爬山搜索法包括以下幾個步驟:

(1)選擇初始的參考轉(zhuǎn)速并測量發(fā)電機的輸出功率;

(2)通過增加或減小某一步長,獲得參考轉(zhuǎn)速并再次測量發(fā)電機的輸出功率;

(3)計算 Sign(Δ P)和 Sign(Δ ω);

(4)ωref(n)=ωr ef(n-1)+Sign(Δ P)Sign(Δ ω)ωs tep

(5)從步驟(3)開始重復(fù)直到到達最優(yōu)運行點.圖中假設(shè)風(fēng)速為v1,發(fā)電機運行在 A點,即風(fēng)機運行在P-ω特征曲線的(ωA,PA)處.同時假設(shè)風(fēng)機轉(zhuǎn)速按步長ωstep增加到新的速度ωB,則新的運行點為(ωB,PB),則:

經(jīng)過第一次反復(fù),新的運行點變?yōu)?ωC,PC).重復(fù)這個過程直到系統(tǒng)運行點為(ω1,P1),這時即為風(fēng)速v1下的最大功率點.假如風(fēng)速由v1變成v3,新的最優(yōu)運行點將會從(ωD,PD)點開始搜索,則:

下一個運行點將會是(ωE,PE),然后與上面的情況類似,風(fēng)機最后會運行到最大功率點(ω3,P3).現(xiàn)在,假如風(fēng)速變化為v2,運行點將會移到(ωF,PF),則:

在這種情況下,轉(zhuǎn)速將會降低,風(fēng)機運行點為(ωG,PG).接著 :

不斷的重復(fù)這個過程直到參考轉(zhuǎn)速運行到風(fēng)速v2的最大功率點(ω2,P2)為止.

圖2 傳統(tǒng)爬山算法控制流程圖

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,這種最大功率跟蹤具有以下的缺點.①固定的速度步長導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)速度波動,風(fēng)速快速變化時跟蹤較慢;②逆變器死區(qū)時間引起轉(zhuǎn)矩電流脈動,這會影響最大功率跟蹤算法中的功率比較;③當參考速度加寬了步長,風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)速度總是不穩(wěn)定.

2 改進的爬山算法

為了得到快的和穩(wěn)定的功率點跟蹤,可采用變步長的最大功率跟蹤控制算法[5].首先,在時間間隔(n-1)和(n)之間,采樣發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩電流iq和旋轉(zhuǎn)速度ωg,對功率斜率進行計算 dPw/dωg

這里獲取的風(fēng)能Pw由式(1)給定,最大功率跟蹤控制的速度步長由式(3)給定

其中KMPPT為步距調(diào)節(jié)系數(shù),為了得到穩(wěn)定的跟蹤,它由實驗結(jié)果決定.由于發(fā)電機的機械時間恒定,為了避免速度震動,速度參考的變化不能太大,由下式?jīng)Q定:

這里:Tmax:發(fā)電機的最大電磁轉(zhuǎn)矩,dT:轉(zhuǎn)速控制周期,J:發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣量.

在式(2)的功率斜率計算中,為了避免數(shù)字溢出,速度步長還有一個最低值限制.

即使是變步距最大功率跟蹤控制,參考速度的步長變大也會使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)波動.為了得到快而且穩(wěn)定的最大功率跟蹤控制,使用一個相對大的步長,在方程式(3)中使用相對大的最大功率跟蹤控制系數(shù)KMPPT,同時在最大功率跟蹤控制器的輸出使用低通濾波器來平滑速度參考.低通濾波器的切出頻率比發(fā)電機的機械時間常量設(shè)得要低.改進的最大功率跟蹤控制算法如圖3所示.

圖3 改進型爬山控制流程圖

3 三點比較法

三點比較法也是通過轉(zhuǎn)速擾動來搜尋最大功率點.但不同的是搜索判斷標準不同.其算法是:在圖4所表示的風(fēng)力機曲線Cp-λ上從左到右依次取個功率點 Pa、Pb、Pc分別對應(yīng) ωa、ωb、ωc,將 Pb 作為基準點,Pa、Pc對應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別與之相差一個步長-Δω和+Δ ω.則在曲線Cp-λ上,最佳功率點的位置與該三個功率點有以下三種情況:①Pc＞Pb＞Pa,則最佳功率點應(yīng)在基準點Pb的右邊,且相隔較遠,如圖4(a);②Pa＞Pb＞Pc,最佳功率點在基準點Pb相隔較遠的左側(cè)如圖4(b);③Pb＞Pa且Pb＞Pc,此時可以認定最佳功率點就在基準點Pb的附近,如圖4(c).可以看出,三點比較法事實上是將風(fēng)力機特性曲線通過三點大小關(guān)系分成了三個部分,需在每個部分進行如下的轉(zhuǎn)速調(diào)整:當Pc＞Pb＞Pa時,基準點應(yīng)選擇增加轉(zhuǎn)速方向,對于下一個階段,將 ω′a=ωb,ω′b=ωc,ω′c=ω′b+Δ ω;

圖4 Pb＞ω關(guān)系圖

當Pa＞Pb＞Pc時,基準點應(yīng)選擇減小轉(zhuǎn)速方向 ,對于下一個階段,將 ω′c=ωb,ωb=ωa,ω′a=ω′b-Δω;當Pb＞Pa且Pb＞Pc時,由于最佳功率點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速與基準點Pb對應(yīng)的轉(zhuǎn)速ωb在±Δω之內(nèi),所以對于下一個階段,將 Δ ω′=Δ ω-ωd,ω′a=ω′b-Δω,ω′b=ωb,ω′c=ω′b+Δ′ω.這里 ωd 用來調(diào)整步長 .

對于Pa＞Pb且Pc＞Pb這種情況,理論上基準點位于極大值附近,顯然在風(fēng)力機特性曲線里是不可能出現(xiàn)的,所以我們首先判斷Pa＞Pb后可以認定基準點已經(jīng)落在了最大功率點的右邊,處理情況與情況②相同.傳統(tǒng)的三點比較法算法流程如圖5所示.

圖5 三點比較算法控制流程圖

Pa、Pb、Pc的大小關(guān)系是通過 flag值來判斷的,flag值是一個二進制數(shù)值,在兩次判斷功率大小關(guān)系后得到 00、01、10、11四種取值,分別對應(yīng)搜索過程中的四種情況,然后依次做出調(diào)整.

4 幾種爬山搜索算法的仿真實驗

本文在Simulink仿真環(huán)境下對傳統(tǒng)爬山算法、改進型爬山算法和三點比較法三種搜索算法進行仿真,最大風(fēng)能跟蹤算法使用S函數(shù)來實現(xiàn).

給定風(fēng)速在1 s處由5 m/s突變至7 m/s,在2 s處由7 m/s突變至5 m/s,傳統(tǒng)爬山算法仿真波形如圖6所示.

當發(fā)電機轉(zhuǎn)速位于最佳轉(zhuǎn)速附近,且相差小于一個步長時,步長則在 Δω與 -Δ ω與 之間來回切換.由此可以看出,定步長的擾動法在穩(wěn)態(tài)時存在擾動過大的問題.若步長增大,則系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤速度也隨之加快,但在最佳轉(zhuǎn)速附近存在擾動過大,也會使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降.

圖6 傳統(tǒng)爬山算法仿真波形

同樣,給定風(fēng)速在1 s處由5 m/s突變至7 m/s,在2 s處由7 m/s突變至5 m/s,改進型爬山算法仿真波形如圖7所示.

圖7 改進型爬山算法仿真波形

從圖7可以看出,改進型爬山算法相比傳統(tǒng)爬山算法在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)性能上都得到了很大的提高,從圖7(a)和圖7(b)可以清楚看到,發(fā)電機轉(zhuǎn)速在搜索過程中,步長隨著風(fēng)力機功率曲線的斜率增加而增加,達到限幅值,當轉(zhuǎn)速運行在最佳轉(zhuǎn)速附近時,風(fēng)力機功率曲線的斜率下降,步長也隨之下降,直到到達最大功率點,此時步長幾乎在0附近,轉(zhuǎn)速擾動大大下降.

在風(fēng)速變化相同的情況下,三點比較法仿真波形如圖8所示.

圖8 三點比較算法仿真波形

由于在發(fā)電機運行功率點位置的判斷上,該法需要采集三個點的功率才能做出判斷,所以相比傳統(tǒng)爬山法和改進型爬山法,在搜索速度上要略遜一些,但穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速收斂較好,系統(tǒng)比較穩(wěn)定.

但當風(fēng)速以0.6 s的周期在5 m/s與7 m/s勻速變化時,仿真波形如圖9所示.

圖9 三點比較算法仿真波形(風(fēng)速以0.6 s的周期周期性變化)

從仿真波形上可以看出,三點比較算法在風(fēng)速不停變化的情況下能夠較好的跟蹤最佳風(fēng)能點,在最佳風(fēng)能點跟蹤過程中Cp值雖然波動較大,但基本在0.45～0.48之間,還是滿足要求的.在轉(zhuǎn)速曲線中,實際轉(zhuǎn)速基本追蹤最佳轉(zhuǎn)速,使得功率曲線基本與風(fēng)速變化趨勢一致,達到了最大風(fēng)能追蹤的效果.

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)爬山算法、改進型爬山算法及三點比較法都屬于擾動法中比較簡單的算法,在響應(yīng)速度方面,前兩種算法要優(yōu)于三點比較法,這是因為它們只要采樣兩點就可以作出相應(yīng)的搜索.而三點比較法在響應(yīng)速度上雖然有不足,但在抗干擾特性上就顯出明顯優(yōu)勢,三點比較法通過采樣三點功率點位置,對步長做出試探性的變化可以有效避免功率擾動下算法的不穩(wěn)定性,仿真結(jié)果也驗證了該算法在兩種風(fēng)速條件下都適合的結(jié)論,追蹤效果基本滿足要求.

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[4]王豐收,沈傳文,孟永慶.基于MPPT算法的風(fēng)力永磁發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究[J].電氣傳動,2007,37(1):6-10.

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Research on Maximum Power Point Tracking Control Strategy in Wind Power Generation System

DENG Qiu-ling
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

To maximize captured energy from the wind,variable speed wind generation system generally uses maximum power point tracking(MPPT)control strategy.Generally speaking,MPPT can be classified in to three control methods including optimal tip speed ratio control,power signal feedback control and hill-climb searching control.The former two methods require accurate measurement of the velocity or measurement of power curve of the wind turbine in advance,which is difficult to implement in practice.Hill-climb searching algorithm is independent of air dynamics of the wind turbine and can be implemented by using software.This paper focuses on three control methods about hill-climb searching control and three point comparing method is proposed to be used in wind generation system.Simulation results indicate that three point comparing method can effectively avoid algorithm instability under power disturbance by trial change to length of step.

maximum power point tracking;control strategy;wind generation;hill-climb searching algorithm

TM614

A

1671-119X(2011)02-0001-05

2010-12-21

湖南省自然科學(xué)基金重點項目(10JJ8003).

鄧秋玲(1966-),女,博士研究生,副教授,研究方向:風(fēng)力發(fā)電、新型電機及其控制.