直驅(qū)式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制

鞏建英，謝蓉

（1.長安大學(xué)電子與控制學(xué)院，陜西西安710064；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安710072）

近年來，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的成本不斷降低，從而使得全球范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（wind turbine，WT）的安裝容量劇增［1-2］。其中，新安裝的很大一部分為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（small wind turbine，SWT）［3-4］。在我國偏遠(yuǎn)的哨所、農(nóng)牧區(qū)、氣象站和微波站安裝SWT，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性［5］。

目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)配置較為簡單的SWT是由風(fēng)力渦輪機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）構(gòu)成的變轉(zhuǎn)速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)［6-7］。其中發(fā)電機(jī)由風(fēng)力渦輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于沒有變速箱，其具有機(jī)組壽命長、維護(hù)方便、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨著風(fēng)場風(fēng)速的變化而變化，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制比較困難［6-7］。具體體現(xiàn)為，若使用風(fēng)速和轉(zhuǎn)速等機(jī)械傳感器來回饋控制器設(shè)計(jì)所需的狀態(tài)參數(shù)，將增加SWT的配置和控制成本并降低其可靠性，若不使用機(jī)械傳感器獲得控制器設(shè)計(jì)所需的轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)，將會(huì)增加控制器設(shè)計(jì)的難度，甚至?xí)a(chǎn)生較大的MPPT跟蹤誤差。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直驅(qū)式SWT的MPPT控制目標(biāo)，已有的研究成果主要包括以下幾類。

1）不使用風(fēng)速傳感器且不知道SWT 的模型參數(shù)，采用干擾和觀測(cè)（P&O）方法實(shí)現(xiàn)MPPT 控制［8-9］。這種方法的主要不足是風(fēng)速變化容易引起發(fā)電機(jī)輸出電壓較大的波動(dòng)，且存在較大的跟蹤誤差。

2）使用位置傳感器而不使用風(fēng)速傳感器，采用基于ω—P曲線的方法實(shí)現(xiàn)MPPT控制［10-13］。這種方法具有很好的控制效果，其主要不足是使用了機(jī)械傳感器，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性，增加了控制成本。

3）不使用任何機(jī)械傳感器，采用不可控三相整流橋?qū)MSG 的輸出電壓整流為直流電壓Vdc，然后使用了基于Vdc—P 或Vdc—Idc曲線的方法實(shí)現(xiàn)MPPT 控制［7，14-16］。這種方法的不足之處是整流器輸出端電壓Vdc與風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械角速度ω之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜，需要分別考慮整流器工作在CCM，DCM 和NCM 等3 種模式下Vdc與ω之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，增加了系統(tǒng)建模和控制過程中理論分析和計(jì)算的難度。

為了不增加風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模和控制過程中理論分析和計(jì)算的難度，本文在建立由風(fēng)力渦輪機(jī)和PMSG 組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過理論分析得知PMSG輸出端電壓的有效值U與其角速度ω之間存在近似的線性關(guān)系，提出了利用U—P 曲線代替ω—P曲線進(jìn)行MPPT控制的方法。

該方法通過對(duì)PMSG 輸出端電壓和電流進(jìn)行采樣，并計(jì)算出輸出功率Pout=3UI，以獲得U 與P 的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后通過與預(yù)定的U—P 曲線進(jìn)行比較來對(duì)SWT 的角速度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的MPPT 控制。最后，用Matlab 仿真驗(yàn)證該模型和控制方法的有效性。

1 問題描述

SWT 的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。其中包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、整流器、卸載箱、蓄電池、逆變器和負(fù)載等。

圖1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of SWT

下面建立SWT中主要模塊的數(shù)學(xué)模型。

1.1 風(fēng)力渦輪機(jī)的模型

一般而言，采用WT捕獲風(fēng)能時(shí)，由風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的機(jī)械功率為［2］

式中：ρ為空氣密度；A為槳葉掃過的面積；vw為風(fēng)速；Cp(λ) 為性能系數(shù)；λ為葉尖速比，λ=ωtR/vw，ωt為風(fēng)力渦輪機(jī)的角速度；R為槳葉半徑。

SWT的槳距角（β）通常是固定的。當(dāng)槳距角為常數(shù)β0時(shí)，Cp(λ) 描述為［2］

1.2 PMSG模型

PMSG在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為［17］

式中：ud，uq分別為d軸和q軸端電壓；id，iq分別為d 軸和q 軸電流；Ld，Lq分別為d 軸和q 軸電感；Rs為電樞電阻；ωm為轉(zhuǎn)子角速度；p為極對(duì)數(shù)；Φm為永磁感應(yīng)磁通；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

SWT 中的PMSG 通常設(shè)計(jì)為隱極永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)，故Ld=Lq。由于PMSG 與風(fēng)力渦輪機(jī)直接軸聯(lián)，可以認(rèn)為PMSG的轉(zhuǎn)子角速度ωm與風(fēng)力渦輪機(jī)的角速度ωt相等，即ωm=ωt。下文中將表示風(fēng)力渦輪機(jī)和PMSG 的機(jī)械角速度均寫為ωm。

SWT的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可寫為

式中：Tm為SWT 的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；J為SWT 的慣性轉(zhuǎn)矩；B為負(fù)荷黏滯性摩擦因數(shù)。

2 控制器設(shè)計(jì)

對(duì)SWT進(jìn)行MPPT控制的目的是，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速vw低于額定風(fēng)速vwN時(shí)，使得SWT 運(yùn)行在最大風(fēng)功率電追蹤狀態(tài)下；當(dāng)vw大于vwN時(shí)，必須減少風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近，以保護(hù)SWT的安全。

2.1 利用ω—P曲線實(shí)現(xiàn)MPPT控制

根據(jù)式（1），給定風(fēng)速vw，風(fēng)力渦輪機(jī)的最大輸出功率Pm,opt取決于其性能系數(shù)Cp(λ)。當(dāng)Cp(λ)為最大值Cpopt時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率為最大值Pm,opt，即

其中，Cpopt對(duì)應(yīng)于最優(yōu)葉尖速比λopt。

根據(jù)λ=ωmR/vw可知，通過調(diào)整角速度ωm來適應(yīng)風(fēng)速vw的變化，能夠使得葉尖速比λ保持在最優(yōu)值λopt。因此，在風(fēng)速vw下，存在一個(gè)最優(yōu)的角速度ωm,opt能夠使得風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率達(dá)到最大值Pm,opt。

根據(jù)ωm與Pm,opt之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以獲得ω—P曲線，如圖2所示。

圖2 ω—P曲線Fig.2 The curves of ω—P

圖2中，實(shí)線表示風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率Pm與角速度ωm的關(guān)系曲線；虛線表示風(fēng)力渦輪機(jī)的最優(yōu)輸出功率Pm,opt與ωm的關(guān)系曲線。

小型風(fēng)力渦輪機(jī)的參數(shù)為：額定功率4.2 kW，啟動(dòng)風(fēng)速3.5 m/s，額定風(fēng)速12 m/s，最優(yōu)性能系數(shù)0.316，最優(yōu)葉尖速比8.63，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5 kg·m2，風(fēng)輪直徑4 m，額定轉(zhuǎn)速600 r·min-1，電樞電阻0.6 Ω，電樞電感4.9 mH，極對(duì)數(shù)15，永磁感應(yīng)磁通0.475 Wb。

使用傳感器獲得ωm的取值，利用ω—P曲線完全可以實(shí)現(xiàn)MPPT 控制［4，12］。若不使用傳感器獲得ωm的取值，利用U—P曲線也能夠進(jìn)行MPPT控制。下面給出其相應(yīng)的控制原理。

2.2 利用U—P 曲線實(shí)現(xiàn)MPPT控制

采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，由于發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁時(shí)，發(fā)電機(jī)與連接在其輸出端的永磁體之間沒有無功功率交換，因此發(fā)電機(jī)在d軸和q軸的反電勢(shì)分別為

式中：ed，eq分別為PMSG在d軸和q軸的反電勢(shì)。

由于d 軸電流分量與無功功率相關(guān)，因此設(shè)d軸電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)為0，即id=0。通過Park變換，可求得

式中：θ=pωmt；ea，ia分別為PMSG 在abc 坐標(biāo)下a相的反電勢(shì)和電樞電流。

根據(jù)式（7），ea和ia的有效值分別為

式中：E，I分別為ea和ia的有效值。

PMSG的電磁功率可通過下式求得

PMSG的輸出功率為

式中：U為PMSG在abc坐標(biāo)系下的輸出端電壓ua的有效值。

將式（6）和id=0代入式（8），可求得

因?yàn)橛来鸥袘?yīng)磁通Φm和極對(duì)數(shù)p的取值為常數(shù)，所以E與ω具有線性關(guān)系。然而，在工程中很難直接獲得ea的值。不過，工程上很容易獲得PMSG 輸出端電壓ua的有效值U。將式（9）和式（10）帶入Pm= Pout/η，可得

將式（12）代入式（11）可求得

假設(shè)效率η是一個(gè)常量，可知U與ω具有線性關(guān)系。在進(jìn)行MPPT 控制時(shí)，可以采用U—P 曲線代替ω—P曲線。這樣，在不使用機(jī)械傳感器的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的MPPT控制。

根據(jù)式（13），將ω—P曲線轉(zhuǎn)換為U—P 曲線。利用U—P 曲線進(jìn)行MPPT控制的策略可以通過圖3來描述。

圖3 利用U—P曲線進(jìn)行MPPT控制的原理圖Fig.3 The diagram of MPPT control by using U—P curve

通過對(duì)PMSG 的輸出端電壓和電流進(jìn)行采樣，獲得U與I。計(jì)算出其輸出功率Pout=3UI，然后通過Pm= Pout/η 估算出風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率Pm。

利用U—P 曲線獲得Pm,opt。比較Pm,opt和Pm。若Pm,opt＞Pm，認(rèn)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高，則需要減小ωm；反之，需要增大ωm。通過對(duì)ωm的調(diào)整最終使得Pm,opt≈Pm。因此，根據(jù)Pm,opt與Pm的關(guān)系來獲得ωm的變化量Δωm，將Δωm輸入到PMSG 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制［17］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真驗(yàn)證

基于小型風(fēng)力渦輪機(jī)的參數(shù)構(gòu)建其Matlab仿真模型?？紤]風(fēng)速隨機(jī)變化的情況，分別使用U—P 曲線和ω—P 曲線控制策略對(duì)SWT 進(jìn)行MPPT 控制，驗(yàn)證它們的控制效果是否一致。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，給定的風(fēng)速隨時(shí)間t變化曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)速變化曲線Fig.4 The curve of wind speed

假設(shè)SWT 的效率η = 0.95，所獲得的結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 PMSG的轉(zhuǎn)子角速度比較.Fig.5 The comparison of the rotor speed of PMSG

圖6 PMSG的輸出功率比較Fig.6 The comparison of the output power of PMSG

圖5中，點(diǎn)劃線表示所期望的最優(yōu)角速度ωopt；虛線表示利用ω—P曲線控制策略進(jìn)行MPPT控制得到的角速度ωm’ω-P；實(shí)線表示利用U—P 曲線控制策略進(jìn)行MPPT 控制得到的角速度ωm,u-P。圖6 中，虛線表示用ω—P曲線控制策略進(jìn)行MPPT控制得到的PMSG輸出功率Pout’ω-P；實(shí)線表示利用U—P 曲線控制策略進(jìn)行MPPT控制得到的PMSG輸出功率Pout’u-P。

從圖4～圖6 可以看出，在隨機(jī)風(fēng)速下，分別使用ω—P曲線和U—P 曲線控制策略對(duì)SWT 進(jìn)行MPPT控制，所得到ωm和Pout的結(jié)果非常一致。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的控制方法的有效性，構(gòu)建了采用一個(gè)7.5 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力渦輪機(jī)，來直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)2 kW的PMSG的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，PMW整流器采用的是IGBT模塊CM50TF-12H，控制算法采用TMS320C2812 DSP控制板實(shí)現(xiàn)?？紤]到模擬風(fēng)速的隨機(jī)性比較困難，在試驗(yàn)中測(cè)試了一種較為極端的情況，假設(shè)風(fēng)速是階躍性突變的，對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化是從200 r/min變化到300 r/min，保持一段時(shí)間再恢復(fù)到200 r/min。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 和圖8所示。

圖7 PMSG的轉(zhuǎn)子角速度比較Fig.7 The comparison of the rotor speed of PMSG

圖8 整流器輸出電壓Vdc比較Fig.8 The comparison of the Vdc

從圖7 和圖8 可以看出，分別使用ω—P曲線控制策略和U—P 曲線控制策略對(duì)SWT 進(jìn)行MPPT 控制，所得到ωm和Vdc的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。由于U—P 曲線控制策略不使用機(jī)械傳感器，所以U—P 曲線控制策略可以簡化SWT 控制系統(tǒng)的硬件配置、降低成本和提高系統(tǒng)整體的可靠性。

4 結(jié)論

1）本文建立了由風(fēng)力渦輪機(jī)和PMSG組成的SWT的整體數(shù)學(xué)模型，從理論上分析了采用U—P 曲線控制策略對(duì)SWT 進(jìn)行了MPPT 控制的可行性，并進(jìn)行了基于U—P 曲線的SWT控制器設(shè)計(jì)。

2）仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，使用ω—P曲線控制策略對(duì)SWT 進(jìn)行MPPT 控制可以取得與U—P 曲線控制策略一致的控制效果。

3）通過測(cè)量PMSG 輸出端電壓和電流可以獲得U—P 曲線，采用U—P 曲線控制策略不使用任何機(jī)械傳感器，不僅具有可靠性高和控制成本低的優(yōu)點(diǎn)，而且具有工程實(shí)用性。

［1］Ahmed F Zobaa，Ramesh C Bansal. Handbook of Renewable Energy Technology［M］.World Scientific，2011.

［2］Burton T，Jenkins N，Sharpe D，et al. Wind Energy Handbook［M］.John Wiley&Sons，2011.

［3］Colak I，Sagiroglu S，Yesilbudak M. Data Mining and Wind Power Prediction：a Literature Review［J］.Renewable Energy，2012，46（10）：241-247.

［4］Andoni Urtasun*，Pablo Sanchis，Idoia San Martín，et al.Modeling of Small Wind Turbines Based on PMSG with Diode Bridge for Sensorless Maximum Power Tracking［J］. Renewable Energy，2013，55（7）：138-149.

［5］祁和生，姚修偉，李德孚，2013 年中小型風(fēng)能行業(yè)發(fā)展形勢(shì)報(bào)告［J］.中小型風(fēng)能設(shè)備與應(yīng)用，2014，9（3）：15-21.

［6］張小蓮，殷明慧，周連俊，等，風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤控制的影響因素分析［J］，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（22）：15-21.

［7］Rubi Garcia-hernandez，Raul Garduno-ramirez. Modeling a Wind Turbine Synchronous Generator Based on PMSG with Diode Bridge for Sensorless Maximum Power Tracking［J］.International Journal of Energy and Power，2013，2（3）：64-70.

［8］Kesraoui M，Korichi N，Belkadi A. Maximum Power Point Tracker of Wind Energy Conversion System［J］.Renewable Energy 2010，36（10）：2655-2662.

［9］Wang H，Nayar C，Su J，et al. Control and Interfacing of a Grid-connected Small-scale Wind Turbine Generator［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2011，26（2）：428-434.

［10］Narayana M，Putrus GA，Jovanovic M，et al. Generic Maximum Power Point Tracking Controller for Small-scale Wind Turbines［J］.Renewable Energy，2012，44（8）：72-79.

［11］張建忠，程明.基于非線性控制的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能跟蹤［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（6）：181-185.

［12］姚駿，廖勇，瞿興鴻，等．直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（10）：11-15．

［13］劉向向，李新宇.變結(jié)構(gòu)控制策略在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（2）：520-525.

［14］Serban I，Marinescu C.A Sensorless Control Method for Variable Speed Small Wind Turbines［J］.Renewable Energy，2012，43（7）：256-266.

［15］殷明慧，張小蓮，葉星，等．一種基于收縮跟蹤區(qū)間的改進(jìn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（27）：24-31.

［16］Dehghan SM，Mohamadian M，Varjani AY. A New Variable-Speed Wind Energy Conversion System Using Permanentmagnet Synchronous Generator and Z-source Inverter［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24（3）：714-724.

［17］尹明，李庚銀，張建成，等.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（15）：61-65.