基于最佳葉尖速比的爬山法改進(jìn)

周帥+于洪霞

摘 要：針對(duì)風(fēng)速多變及外界干擾情況下風(fēng)電系統(tǒng)出現(xiàn)的風(fēng)能利用率低，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中傳統(tǒng)爬山法最大功率跟蹤方法速度慢計(jì)算量大，并且在最大功率運(yùn)行點(diǎn)抖動(dòng)，葉尖速比法搜索出來(lái)的最大功率運(yùn)行點(diǎn)不準(zhǔn)確等傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)在跟蹤效果，提出葉尖速比法與改進(jìn)爬山法進(jìn)行結(jié)合的辦法來(lái)加快搜索速度，并且使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最大功率運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行減少抖動(dòng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率捕捉；爬山法；功率法反饋法

引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的可再生能源，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)較快的一種能源形式。但是，風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)投資大，受自然條件制約，運(yùn)行時(shí)風(fēng)能利用率低等因素。這些難度制約著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。提高風(fēng)能利用率，降低基礎(chǔ)成本尤為重要。對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)可靠性和效率要求也在不斷提高[1-2]。改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率即最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）研究具有十分重要的意義，其中爬山算法以其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單既不需要測(cè)量風(fēng)速也不需要測(cè)量風(fēng)機(jī)機(jī)械功率特性是目前應(yīng)用廣泛的最大風(fēng)能捕捉算法[3]。但是由于傳統(tǒng)爬山法計(jì)算量大，爬坡速度慢，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性[4-5]。同時(shí)，由于風(fēng)力發(fā)電是一種間歇性能源，風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出具有很強(qiáng)的隨機(jī)性[1-2]。

1 風(fēng)力發(fā)電最大功率捕捉原理

根據(jù)貝茲（Betz）理論，風(fēng)輪機(jī)實(shí)際得到的功率與風(fēng)速的三次方有關(guān)[4]。在風(fēng)速v下運(yùn)行時(shí)， 單位時(shí)間內(nèi)捕獲的風(fēng)能為

，

式中？籽為空氣密度（kg/m3），S為風(fēng)葉輪掃過(guò)的面積（m3），R為風(fēng)輪半徑（m），v為風(fēng)速（m/s），？棕為轉(zhuǎn)速（rad/s），Cp（？姿，？茁）為風(fēng)能利用系數(shù)反映了風(fēng)輪機(jī)利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比 λ和槳葉節(jié)距角 β的函數(shù)。

以上可知在一定的風(fēng)速下風(fēng)機(jī)輸出功率取決于數(shù)Cp（？姿），在不同的風(fēng)速下只要控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使得滿足葉尖速比？姿=？姿，可得到不同風(fēng)速下最大功率，功率曲線如圖1所示：

在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，要通過(guò)調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的目的。

2 結(jié)合葉尖速比法的爬山法改進(jìn)

先使用最佳葉尖速比法確定爬山法初始角速度，之后以這一點(diǎn)為起始點(diǎn)進(jìn)行最后的小范圍的爬山法，在使用爬山法的過(guò)程中通過(guò)不同風(fēng)速初始步長(zhǎng)根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析選取不同的初始步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析分析可以得到在風(fēng)速為v（m/s），風(fēng)速下運(yùn)行要達(dá)到實(shí)際最大風(fēng)能捕獲點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速差△？棕（rad/s），如表1：

通過(guò)表格我們?cè)?-6m/s時(shí)候，爬山法的出是擾動(dòng)為0.3rad/s，之后每一步擾動(dòng)都是前一步的0.5倍。6-8m/s，初始步長(zhǎng)為0.4rad/s；8-10m/s初始擾動(dòng)為0.7rad/s；10m/s到12m/s初始擾動(dòng)為0.8m/s；提高收索速度，加強(qiáng)搜索精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在風(fēng)場(chǎng)中驟變風(fēng)速下采集10s風(fēng)速飛速在3秒時(shí)由4.3m/s變?yōu)?.6m/s，再過(guò)3s變?yōu)?.9m/s。進(jìn)行試驗(yàn)正。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用葉尖速比法節(jié)省了爬山法搜索的距離，所以在爬上搜索的過(guò)程中采用小擾動(dòng)爬山法，同時(shí)在爬山的過(guò)程中，對(duì)每次爬山過(guò)程中加入的擾動(dòng)都乘上衰減系數(shù)，在加快搜索過(guò)程的同時(shí)，來(lái)減少在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)出的震蕩。

參考文獻(xiàn)

[1]劉靜，陶曉峰.基于下垂特性的分布式發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25（7）：635-641.

[2]KIM H W.KIM S S，KO HS.Modeling and control of PMSG-based variable-speed wind turbine[J].Electric Power Systems Research，2010，80（1）：46-52.

[3]李俊峰，高虎，施鵬飛，等.2007年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[R].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[4]趙仁德，王永軍，張加勝.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（27）.

[5]劉文洲，劉巡，李寧，等.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜述[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，16（4）：45-48.