小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制策略的研究

葛超銘，李少綱

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。風(fēng)能等可再生能源清潔、無污染、分布廣泛，用之不竭，能夠在很大程度上解決人類能源不足及環(huán)境問題。

然而風(fēng)能具有隨機性、分布不均勻、不穩(wěn)定性等特點，這些給風(fēng)能利用帶來了許多問題。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的能力不僅受其機械特性有關(guān)，還與所采用的控制策略有關(guān)。所以采用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能夠提高風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換效率，使風(fēng)輪快速的響應(yīng)風(fēng)速的變化，使實際輸出功率曲線與最佳功率曲線吻合，充分利用風(fēng)能。本文對常用的控制策略采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真分析及實驗，在此基礎(chǔ)上通過推導(dǎo)功率－占空比關(guān)系提出了改進(jìn)的控制策略，通過比較，改進(jìn)的控制策略在響應(yīng)速度、穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，成本小、易于實施［1］。

1 風(fēng)力發(fā)電機及其運行特性

根據(jù)風(fēng)力機的空氣動力學(xué)特性，風(fēng)力機輸出機械功率可表示為:

式中CP為風(fēng)能利用系數(shù);R為風(fēng)輪半徑，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速。由式（1）可知，在風(fēng)輪葉片大小、風(fēng)速和空氣密度一定時，影響功率輸出的唯一因素是風(fēng)能利用系數(shù)CP，輸出功率與CP成正比，而CP是葉尖速比λ的函數(shù)，λ可以表示為:

式中ωr為風(fēng)力機角速度，n為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速。風(fēng)力機特性通常用CP和λ之間的關(guān)系來表示，典型的CP=f（λ）關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 典型CP與λ關(guān)系曲線

在不同的風(fēng)速下，均有唯一的最佳轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機輸出最大機械功率，將這些最大功率點連接起來可以得到一條最大輸出機械功率曲線，處于這條曲線上的任何點，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最佳葉尖速比關(guān)系。因此在不同風(fēng)速下控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速向最佳轉(zhuǎn)速變化就可以實現(xiàn)最大功率控制［2］。不同風(fēng)速下風(fēng)力機的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖2所示。

從圖1可以看出，在CP隨著λ的變化過程中，存在著一點λm可以獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)CPmax，即最大輸出功率點。將（2）代入（1）可得:

圖2Pm=f（n）特性曲線

2 風(fēng)力發(fā)電機功率控制策略分析

根據(jù)對風(fēng)力發(fā)電機運動特性的可知，為了能夠使Cp保持在最大點附近，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生改變時，可以通過對風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行變速控制，使風(fēng)力發(fā)電機最大效率的捕獲風(fēng)能［3］。下文介紹了常用的策略，并MATLAB/Simulink進(jìn)行建模分析，在此基礎(chǔ)上尋找改進(jìn)的策略以獲得滿意的效果。

2.1 葉尖速比控制策略

最佳葉尖速比控制策略是保持風(fēng)輪機的葉尖速比始終在最優(yōu)值處，從而使風(fēng)力發(fā)電機輸出功率始終為最大。其仿真如圖3所示，它將風(fēng)速信號（v）與對應(yīng)的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速信號（ω）進(jìn)行比較作為控制器的輸入信號，并與系統(tǒng)最佳葉尖速比值進(jìn)行對比分析，從而使系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)［4］。當(dāng)計算得到的葉尖速比值不為最佳值時，系統(tǒng)根據(jù)偏差值的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)輸出功率值最大。

為了分析葉尖速比控制策略的特性，設(shè)置了風(fēng)力機風(fēng)速開始時為6 m/s，在0.4 s 時 風(fēng)速發(fā)生改變?yōu)? m/s，如圖4（a）所示。圖4（b）和圖4（c）風(fēng)別為風(fēng)能利用系數(shù)及發(fā)電機輸出功率仿真曲線?？梢钥闯鲈摬呗匀菀讓崿F(xiàn)，跟蹤速度快，風(fēng)能利用率高，但是需要測量風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和實時風(fēng)速，增加了系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度。不同風(fēng)輪機，其最佳葉尖速比曲線不同，在實際工程應(yīng)用中較少。

圖3 葉尖速比控制仿真

圖4 葉尖速比控制策略仿真結(jié)果

2.2 最佳轉(zhuǎn)速曲線跟蹤策略

當(dāng)葉尖速比達(dá)到最佳值λopt時，風(fēng)輪機輸出最大機械功率。根據(jù)一個地區(qū)的歷史風(fēng)能情況，制作一個詳細(xì)的風(fēng)力發(fā)電機輸出功率與風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系表，實際操作中通過測量得到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過查表法，找到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機最大輸出功率，并與實際的發(fā)電機輸出功率比較得到差值信號，從而實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)化的控制，其仿真如圖5所示。

設(shè)置與葉尖速比控制策略相同的風(fēng)速信號，通過仿真結(jié)果可以看出，該控制策略的輸出特性和葉尖速比控制策略的輸出特性差別不大，但是無需知道風(fēng)速，這種控制方法要獲得大量的歷史風(fēng)能數(shù)據(jù)，輸出功率—轉(zhuǎn)速曲線很難獲得［5］。

圖5 最佳轉(zhuǎn)速曲線跟蹤仿真

圖6 擾動搜索法

2.3 擾動搜索策略

擾動搜索策略可以避免測量風(fēng)速大小或者風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，同樣不需要考慮風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量較小的情況下，可通過軟件編程運算來找到風(fēng)力發(fā)電機輸出的最大功率值，通過相鄰兩個時刻值的采樣功率進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速，不斷調(diào)整發(fā)電機輸出功率，直到系統(tǒng)輸出功率值為最大。

通過圖（2）功率－轉(zhuǎn)速特性曲線可以看出，在某一特定風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速和功率具有唯一的最大值點，擾動搜索方法可以直接給予轉(zhuǎn)速擾動變化量，通過改變發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速。也可通過擾動DC/DC變換器的占空比，改變輸入電阻，實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的功率匹配，間接控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大功率跟蹤，其控制策略如圖6所示。

根據(jù)擾動法的控制策略建立仿真模型，設(shè)置了風(fēng)力機風(fēng)速開始時為6 m/s，在0.3 s和0.6 s時風(fēng)速發(fā)生改變分別為8 m/s、10 m/s，如圖7（a）所示。此控制策略不需要測量風(fēng)速，也不需要風(fēng)機特性，減少了控制器設(shè)計的難度。但是從圖中也可以看出調(diào)整步長D，存在調(diào)整步長大小問題，步長較大時，相應(yīng)速度較快，但系統(tǒng)穩(wěn)定性會變差，功率損失變大，跟蹤效果與上文所提的控制策略相比效果不理想，風(fēng)能利用系數(shù)降低了0.063如圖7（b）所示，且在風(fēng)速突變時，會發(fā)生誤判斷如圖7（c）所示。

基于風(fēng)力機功率特性為凸函數(shù)這一特性，可以使用三點比較法，在功率－轉(zhuǎn)速特性曲線上取三個不同點進(jìn)行對比，根據(jù)輸出功率的比較大小來獲得最佳轉(zhuǎn)速［6］。但風(fēng)能的不確定性，會導(dǎo)致跟蹤的失敗。通過仿真結(jié)果可以看出對于小型風(fēng)力發(fā)電機，采用三點法跟蹤速度沒有擾動法好。

3 改進(jìn)的功率控制策略

為了避免使用額外的成本測量風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，同時由改善擾動法引起的問題，提出一種改進(jìn)的控制算法。為了驗證算法可靠，下文推出功率與占空比的關(guān)系。在最佳轉(zhuǎn)速處有ΔP/Δnr=0，通過該可以得出:

由BOOST電路的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系，風(fēng)機的機械角速度與發(fā)電機的電角速度的關(guān)系以及整流輸出電壓與發(fā)電機速度近似比例關(guān)系，可以知道 ΔD/ΔVin= －Vdc≠0，Δn/Δnr=p＞0，ΔVin/Δn≠0，所以可以推斷出 ΔP/ΔD=0，功率—占空比曲線存在唯一的極值點，通過擾動占空比，就可以實現(xiàn)最大功率跟蹤［7］。改進(jìn)的控制策略如下，系統(tǒng)初始化后，采集此時的電壓和電流值，并與前一時刻比較得出功率差和電壓差，通過功率增大還是減小，來決定占空比D的數(shù)值是變大還是變小，當(dāng)ΔP＞0，D的改變量 ΔDk= ΔPk－1/ΔDk－1，當(dāng) ΔP＜ 0 時，ΔDk=（ΔPk－1/ΔDk－1），而ΔP＞0和ΔD的比值來決定占空比的數(shù)值改變大小，

圖7 擾動搜索策略仿真結(jié)果

當(dāng) |ΔP/ΔD| ＞A時，說明此刻功率點遠(yuǎn)離最大功率點，占空比改變量的比例因子m1較大，否則說明此刻比較接近最大功率點，占空比改變量的比例因子m2較小［8－9］。通過距離最大功率點的位置，增大或較少占空比改變量數(shù)值，從而有效地跟蹤最大功率點，了減小擾動法對功率波動的損失以及風(fēng)速突變引起的誤操作，跟蹤速度慢等問題，改控制策略如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的控制策略

設(shè)置仿真參數(shù)與擾動搜索策略相同，通過結(jié)果可以看出該策略相應(yīng)速度快，穩(wěn)定性得到了提高，避免了誤判斷，與葉尖速比控制策略和最佳轉(zhuǎn)速曲線跟蹤方法相比，便于應(yīng)用在工程實例中。

圖9 改進(jìn)的控制策略仿真結(jié)果

4 硬件設(shè)計及實驗結(jié)果

圖10為硬件設(shè)計部分原理圖。DSP采用集成度較高、處理速度較快的TMS320F2812型芯片，MOSFET驅(qū)動電路采用高速光耦隔離器件和具有加速MOSFET開關(guān)速度的輔助電路組成，開關(guān)電源調(diào)節(jié)芯片采用 TL494［10］。

圖10 硬件設(shè)計部分原理圖

取兩臺同型號的樣機，其中一臺使不用MPPT裝置，另一臺采用改進(jìn)的控制策略，且?guī)N阻性負(fù)載進(jìn)行對比實驗，分別采集4組結(jié)果如表1所示。

表1 實驗對比結(jié)果

由表1可見，采用改進(jìn)的MPPT控制策略能提高發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率及效率，驗證了改進(jìn)策略的有效性。

5 結(jié)束語

針對風(fēng)能的獨特特性，通過建立風(fēng)力發(fā)電功率控制系統(tǒng)仿真模型并分析，在推導(dǎo)功率與占空比的關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的控制策略，能夠快速響應(yīng)和穩(wěn)定，在風(fēng)速發(fā)生突變的情況下，不會出現(xiàn)誤判斷，跟蹤效果較好。制作兩臺同型號的樣機，驗證了有效性。隨著智能算法的發(fā)展，把它與傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合彌補各自不足，將會達(dá)到更好的控制效果。

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