應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無源MPPT方法

白崟儒，寇寶泉，陳清泉

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應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無源MPPT方法

白崟儒，寇寶泉，陳清泉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150001)

針對離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所使用的傳統(tǒng)最大功率點跟蹤(MPPT)方法可靠性相對較低，提出無源MPPT方法。采用此方法的新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由1臺雙繞組永磁發(fā)電機(jī)、2個不可控整流器、1臺蓄電池和負(fù)載構(gòu)成。通過特殊設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率特性曲線與風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線相吻合，從而保證系統(tǒng)能夠在不使用任何電控裝置的情況下自動地實現(xiàn)MPPT，因此新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有較高的可靠性。通過分析無源MPPT的跟蹤過程，闡明無源MPPT方法的原理。研究并建立新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速變化時，采用無源MPPT方法的新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)MPPT，并且其動態(tài)性能優(yōu)于使用爬山法傳統(tǒng)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

最大功率點跟蹤(MPPT)；無源；永磁同步發(fā)電機(jī)；離網(wǎng)；風(fēng)力發(fā)電

離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(SWPGS)具有成本低、應(yīng)用靈活、維護(hù)簡便等優(yōu)點，近年來被越來越多地應(yīng)用于牧區(qū)、林區(qū)、通訊基站、氣象站、海島及邊防哨所等場所[1?6]。SWPGS一般采用定漿距變速風(fēng)力機(jī)。然而當(dāng)風(fēng)速變化時，變速風(fēng)力機(jī)不能持續(xù)地運行在最大功率點(MPP)，需要進(jìn)行最大功率點跟蹤(MPPT)控制[7?9]。因此，MPPT技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點。各國學(xué)者們提出了各種MPPT方法。這些方法大致可被分為3種類型：功率反饋(PSF)控制方法、爬山搜索(HCS)控制方法以及基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方 法[9]。PSF控制方法是一種快速、高效的MPPT方法。該方法需要已知系統(tǒng)特性，這種特性可以是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的各種特性[10]，如輸出功率與整流直流電壓特性[11]或整流直流電壓與整流直流電流特性[12]。這些系統(tǒng)特性通過實驗獲得，然后被存儲在控制器的內(nèi)存中，以便服從程序調(diào)用。學(xué)者們對PSF控制方法進(jìn)行了大量研究，取得了許多研究成果。PAN等[13]提出了一種具有自適應(yīng)能力的PSF控制方法，提高了系統(tǒng)的風(fēng)能捕捉能力。CHEN等[14]提出了具有恒定帶寬的PSF控制方法，有效地擴(kuò)大了其在低風(fēng)速時的追蹤帶寬。MORIMOTO等[15]提出了基于損耗最小的PSF控制方法，有效地減小了系統(tǒng)損耗。在此基礎(chǔ)上，ZHU等[16]進(jìn)一步地考慮了傳動軸上的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，提出了更高效的PSF控制方法。HCS控制方法也被稱為觀測擾動 法[17?18]，其不需要已知系統(tǒng)特性，因此可以方便地應(yīng)用于各種參數(shù)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是SWPGS最常用的MPPT控制方法。國內(nèi)外學(xué)者們對HCS方法開展了大量研究，提出了各種HCS方法。WANG等[19]提出一種智能HCS方法，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。AGARWAL等[20]提出了一種變步長的HCS方法，解決了搜索速度與MPPT效率的權(quán)衡問題。DALALA 等[21]提出了一種改進(jìn)型HCS方法，解決了搜索方向容易出錯的問題。除了上述常見的2類MPPT方法，還提出了基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。SIMOES等[22]提出了一種具有三模糊邏輯級別的MPPT控制方法。GALDI等[23]提出了一種基于Takagi-Sugeno-Kang 模糊邏輯模型的MPPT控制方法。LI等[24]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制方法。張秀玲等[25]提出了基于模糊推理最優(yōu)梯度法的MPPT方法。上述MPPT方法雖各不相同，卻都有一個共同特征，即都需要使用電控裝置，因此，它們可以被統(tǒng)一地歸為同一種類型：電控MPPT方法。SWPGS通常用于野外，時常面對雨、雪、風(fēng)沙等惡劣天氣，因而電控裝置中的電子器件非常容易損壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障。因此，數(shù)量眾多的電子器件降低了系統(tǒng)的可靠性，不利于SWPGS在野外環(huán)境穩(wěn)定地運行。針對此問題，本文作者提出無源MPPT方法。該方法基于對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計，使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率曲線與風(fēng)力機(jī)的MPP曲線相吻合，從而無需電控裝置和控制算法系統(tǒng)就能自動地實現(xiàn)MPPT。由于舍棄了電控裝置，該方法具有較高的可靠性。

1 無源MPPT方法的原理

風(fēng)力機(jī)輸出的功率為

其中：w為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率；p為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，其值是槳距角和葉尖速比的函數(shù)；為風(fēng)速；為空氣密度；為風(fēng)力機(jī)掃掠面積。

SWPGS通常采用定槳風(fēng)力機(jī)，所以p只由葉尖速比決定。葉尖速比的計算公式為

其中：為風(fēng)力機(jī)葉片的半徑；為葉尖速比；為 轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式(1)與式(2)，可以繪制出風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的w與關(guān)系曲線。連接其在不同風(fēng)速下功率的最大點可以獲得風(fēng)力機(jī)的MPP曲線，如圖1所示。風(fēng)力機(jī)MPP曲線數(shù)值的計算式為

其中：wop為風(fēng)力機(jī)的MPP數(shù)值；pm為風(fēng)力機(jī)的最大功率系數(shù)。

式(3)表明：風(fēng)力機(jī)的MPP數(shù)值正比于3。式(3)也可表示為

其中：op為最佳葉尖速比。

式(4)表明：當(dāng)風(fēng)力機(jī)保持最佳葉尖速比的時候，風(fēng)力機(jī)的MPP數(shù)值正比于3。由能量守恒定律可知，SWPGS的動態(tài)能量方程為

圖1 風(fēng)力機(jī)特性

Fig. 1 Wind turbine characteristics

式(5)表明：在任意一段時間內(nèi)(時間長度為t?t)，如果風(fēng)力機(jī)的輸出能量大于(小于)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入能量，則系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速上升(下降)；若兩者相等，則轉(zhuǎn)速不變。圖2所示為整個SWPGS的能量流程示意圖，圖中：loss為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的損耗；out為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出功率。圖3所示為傳統(tǒng)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

由電機(jī)理論可知：發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率in是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。圖3(a)和圖4所示為未采用任何MPPT方法的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率特性曲線(即in與關(guān)系曲線)。由圖4可見：in曲線的斜率隨著轉(zhuǎn)速上升而逐漸減小，導(dǎo)致其偏離風(fēng)力機(jī)的MPP曲線，因此傳統(tǒng)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無法實現(xiàn)MPPT。為解決這一問題，各國學(xué)者們提出了電控MPPT方法：在系統(tǒng)中添加DC/DC變換器(圖3(b))，然后通過控制系統(tǒng)電流，改變系統(tǒng)的輸入功率特性曲線，使其與風(fēng)力機(jī)的MPP曲線相吻合，從而實現(xiàn)MPPT?；诖?，本文從相反的思維角度提出無源MPPT方法：如果對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計，使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有與風(fēng)力機(jī)MPP曲線相吻合的輸入特性(見圖5)，則無需使用昂貴的電控裝置和復(fù)雜的控制算法，系統(tǒng)就能夠自動地實現(xiàn)MPPT。下文通過分析無源MPPT的跟蹤過程，論證無源MPPT的機(jī)理。

圖2 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量流程圖

(a) 未采用任何MPPT方法的傳統(tǒng)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；(b) 采用電控MPPT方法的傳統(tǒng)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖4 未采用任何MPPT方法的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特性

圖5 為實現(xiàn)無源MPPT發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所應(yīng)該具有的特性

在初始時刻0，風(fēng)速的初始值為0，如圖6所示。相應(yīng)地，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在時刻0的初始工作點均為點，如圖7所示。在時刻1，風(fēng)速階躍變?yōu)閟，而由于慣性，轉(zhuǎn)速不會躍變。相應(yīng)地，風(fēng)力機(jī)的特性曲線瞬間由w(0)曲線變成了w(s)曲線，而由于轉(zhuǎn)速未變，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作點還是點。由圖7可知：此時w大于in，故整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速會逐漸上升，于是風(fēng)力機(jī)的工作點沿著w(s)曲線上升，而發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作點沿著in曲線上升。最終當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到s時，w等于in，轉(zhuǎn)速停止變化。由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的in曲線非常接近風(fēng)力機(jī)的MPP曲線，故此刻風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定在了風(fēng)速s下的最大功率點(即點)，從而完成了無源MPPT。

圖6 風(fēng)速與時間的關(guān)系

圖7 無源MPPT的跟蹤過程

2 采用無源MPPT方法的新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

由圖4與圖5可知：傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特性并不滿足無源MPPT方法的實現(xiàn)條件。為了滿足該條件，需要采用：

1) 新的系統(tǒng)電路拓?fù)洹?/p>

2) 新結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。

本文以規(guī)格為1kW的新系統(tǒng)為例進(jìn)行論證。

2.1 新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電路拓?fù)?/p>

新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由1臺雙繞組永磁同步發(fā)電機(jī)、2個不可控整流器、1臺蓄電池及負(fù)載構(gòu)成，如圖8所示。圖中：d1為繞組1整流輸出電流的平均值；d2為繞組2整流輸出電流的平均值；d為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流母線電流的平均值。蓄電池的兩端電壓變化較小，可以穩(wěn)定負(fù)載的輸入端電壓。發(fā)電機(jī)繞組1的每相匝數(shù)多于繞組2的每相匝數(shù)，所以，繞組1在較低轉(zhuǎn)速時就能夠克服蓄電池電壓從而輸出電流，而繞組2只有在較高轉(zhuǎn)速時才能克服蓄電池電壓輸出電流，所以繞組1被稱為低速繞組，繞組2被稱為高速繞組。在較低轉(zhuǎn)速時，風(fēng)力機(jī)MPP曲線的數(shù)值較低，因此，繞組1必須具有較大的電感，以抑制系統(tǒng)的輸出、輸入功率，使系統(tǒng)的in曲線在較低轉(zhuǎn)速時吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線。繞組2具有較小的電感，因此，繞組2在較高轉(zhuǎn)速時可以輸出較大的功率，以使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的P曲線在較高轉(zhuǎn)速時吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線，如圖9所示。圖中：out1為繞組1的輸出功率；out2為繞組2的輸出功率；st為繞組1開始輸出電能的起始轉(zhuǎn)速，即新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建壓轉(zhuǎn)速；2為繞組2開始輸出電能的起始轉(zhuǎn)速。

A1相，B1相，C1相—繞組1；

圖9 新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特性

2.2 新型發(fā)電機(jī)

為了實現(xiàn)無源MPPT，不僅需要采用新的系統(tǒng)電路拓?fù)?，新型系統(tǒng)中所包含的發(fā)電機(jī)也必須具有新結(jié)構(gòu)。如圖10(a)所示，新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)含有2套三相繞組，并且每槽中間置有電抗調(diào)整片。

電抗調(diào)整片將發(fā)電機(jī)的每個槽分成了上下2個小槽，繞組1的線圈邊全部置于靠近機(jī)殼一側(cè)的小槽內(nèi)，而繞組2的線圈邊全部置于靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)的小槽內(nèi)。在每個小槽內(nèi)，每套繞組均為單層繞組。2套繞組分別Y型連接且中性點相互絕緣，繞組1中的每相匝數(shù)較多，繞組2中的每相匝數(shù)較少。

(a) 新型發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)；(b) 新型發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)

繞組1含有較多匝數(shù)，所以在較低轉(zhuǎn)速時只有繞組1能夠克服蓄電池電壓輸出電能(繞組2此時截止)。繞組1中的電流產(chǎn)生的磁通一部分經(jīng)由槽中間的電抗調(diào)整片閉合，另一部分由氣隙主磁路閉合，如圖11所示。相比于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，電抗調(diào)整片增大了繞組1的槽內(nèi)漏磁導(dǎo)，因此，繞組1中每相電感值較大，可以有效抑制繞組1在低速時的輸出、輸入功率特性，如圖12所示。

根據(jù)磁路理論，磁場分布遵循磁阻最小原理。由于電抗調(diào)整片與槽壁之間存在氣隙(通常為0.3mm)，永磁體的磁通和繞組2電流的磁通都幾乎不通過電抗調(diào)整片，而只有繞組1的電流磁通大量地通過電抗調(diào)整片(圖11)。因此，電抗調(diào)整片只影響繞組1的電流磁路，而對永磁體磁路和繞組2電流磁路幾乎沒有影響。電抗調(diào)整片的厚度較薄，隨著繞組1中的電流上升，電抗調(diào)整片將逐漸飽和。因為系統(tǒng)工作的頻率很低(最大為33.3Hz)，且電抗調(diào)整片的體積占整個發(fā)電機(jī)的體積的比例很小，所以，電抗調(diào)整片的鐵損值很小，經(jīng)有限元計算，總量僅為1.3W，平均每個電抗調(diào)整片產(chǎn)生的鐵損值僅為0.11W。因此，即使電抗片容易飽和，電抗調(diào)整片產(chǎn)生的鐵損值也非常小，不會影響整個電機(jī)的效率，也不會產(chǎn)生過高的溫升。

當(dāng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升達(dá)到較高轉(zhuǎn)速時，風(fēng)力機(jī)的MPP曲線的數(shù)值和斜率大幅增大，此時需要繞組2開始輸出電能，以使發(fā)電機(jī)的輸入功率特性曲線能夠繼續(xù)吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線。

(a) 繞組1電流的磁通路徑的示意圖和有限元仿真結(jié)果；(b) 繞組2電流的磁通路徑的示意圖和有限元仿真結(jié)果；(c) 永磁體磁通路徑的示意圖和有限與仿真結(jié)果

圖12 低速時的特性比較

為獲得較佳的曲線吻合效果，繞組2需要比繞組1在額定點處分擔(dān)更多輸出功率。因為繞組2的所有線圈均置于靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)的小槽內(nèi)，所以電抗調(diào)整片對繞組2的電流磁路并無直接影響，故繞組2的電感值較小，在高轉(zhuǎn)速時可以輸出較大電流。

2.3 新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

由電機(jī)理論可知，繞組1每相空載反電勢為

其中：ph1為繞組1每相空載反電勢；為每極磁通量；1為繞組1每相匝數(shù)；為極對數(shù)；w為繞組系數(shù)；k為磁通波形系數(shù)。

式(6)表明：繞組反電勢與轉(zhuǎn)速、匝數(shù)成正比。由整流理論可知，繞組1空載狀態(tài)下的整流電壓為

其中：1為繞組1空載整流輸出電壓的平均值。

當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到超過建壓轉(zhuǎn)速時，即式(7)超過電池電壓時，繞組1開始輸出電流。同理，繞組2空載狀態(tài)下的整流電壓為

其中：2為繞組2空載整流輸出電壓的平均值。

式(7)和式(8)表明：由于繞組1的每相匝數(shù)(A1相、B1相和C1相)多于繞組2的每相匝數(shù)(A2相、B2相和C2相)，1與關(guān)系曲線的斜率大于2與關(guān)系曲線的斜率。因此，繞組1在低轉(zhuǎn)速時就能克服蓄電池電壓從而輸出電能，而繞組2只有在較高轉(zhuǎn)速時才能克服蓄電池電壓輸出電能。因此，建壓轉(zhuǎn)速可由下式計算得出：

(9)

其中：st為繞組1開始輸出電能的起始轉(zhuǎn)速，即新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建壓轉(zhuǎn)速。

首先討論單繞組工作模式，即只有繞組1輸出電能時的情況。根據(jù)電機(jī)理論，圖13所示為在單繞組工作模式下的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路。由圖13可見：除了包含非線性電感，該電路與常規(guī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路基本相同。因此，新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流側(cè)電壓方程類似于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，即：

(11)

其中：d為直流母線電壓的平均值；為蓄電池電壓；d為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流母線電流的平均值；1為繞組1每相自感，其數(shù)值是相電流的函數(shù)；1為繞組1每相電阻。

圖13 單繞組工作模式下的系統(tǒng)等效電路

由式(10)與式(11)可知：單繞組工作模式下發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出、輸入功率為：

(13)

由于1為非線性參數(shù)，式(12)是一個隱式方程，不能直接求解。根據(jù)電機(jī)理論可知：電抗調(diào)整片為繞組1提供了較高的漏電感，所以1具有較大值。根據(jù)式(12)可知：較大的1可以抑制輸出功率系統(tǒng)的輸出功率和輸入功率在低速時能擬合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線。

由圖9可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升時，風(fēng)力機(jī)MPP曲線的斜率越來越大。因此，在較高轉(zhuǎn)速時，僅僅依靠繞組1并不能持續(xù)地吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線，此時繞組2必須開始輸出電能，以使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率曲線在高轉(zhuǎn)速時繼續(xù)吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線。雙繞組工作模式時(即繞組1與繞組2同時輸出電能時的情況)系統(tǒng)的等效電路示意圖如圖14所示。圖中：是繞組1和繞組2之間的互感。繞組1電流在繞組2中產(chǎn)生的電壓降為3MI1。因此，雙繞組工作模式下繞組2開始輸出功率的起始轉(zhuǎn)速可以按下式計算：

其中：2為繞組2的每相匝數(shù)；為繞組1與繞組2之間的互感；2為繞組2開始輸出電能的起始轉(zhuǎn)速。

高速模式下發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流側(cè)的電壓和功率方程為：

(16)

圖14 雙繞組工作模式下的系統(tǒng)等效電路

Fig. 14 Equivalent circuit of new system in double- winding-operating mode

(18)

(19)

其中：d1為繞組1整流輸出電流的平均值；d2為繞組2整流輸出電流的平均值；2為繞組2每相自感；2為繞組2每相電阻。

上述方程也是隱式方程，需要借助數(shù)值方法進(jìn)行求解。用有限元法可以計算得到新型發(fā)電機(jī)的電感，結(jié)果如圖15所示。由圖15可見：2較小，因此繞組2可以輸出較大的電流。圖16所示為實測值與數(shù)學(xué)模型計算值之間的對比。由圖16可知數(shù)學(xué)模型是正 確的。

2.4 與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)對比

雙繞組結(jié)構(gòu)看似比單繞組結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，事實上，雙繞組結(jié)構(gòu)僅僅是在內(nèi)部接線方式上與單繞組結(jié)構(gòu)不同。圖17所示為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)與新型發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)對比。可見新型發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)并不比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

圖15 電感與電流的關(guān)系

1—計算值；2—實測值。

圖17 新型發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)對比

雖然雙繞組并沒有增大新型發(fā)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但電抗調(diào)整片還是使得新型發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，這增加了定子的工藝成本。然而，新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)省略了成本較高的DC/DC變換器(僅僅增加了1個二極管整流器，其價格僅為15元人民幣左右)，所以相比于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在總體成本上并無劣勢。

3 樣機(jī)及實驗

課題組設(shè)計并制造了規(guī)格為1kW的樣機(jī)并按照圖8組成了新型系統(tǒng)，具體尺寸及主要參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

圖18所示為新型發(fā)電機(jī)的定子沖片照片。電機(jī)的齒壁中央有槽口，以方便安裝電抗調(diào)整片。通過拖動實驗，可得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入、輸出特性如圖19所示。由圖19可知：電機(jī)在轉(zhuǎn)速低于160 r/min時即可輸出電能；發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率特性曲線能夠在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)很好地吻合風(fēng)力機(jī)的MPP曲線。

圖20所示為新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的效率特性。由圖20可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速高于200 r/min時，整個系統(tǒng)的效率一直保持在較高水平(基本大于0.8)。在轉(zhuǎn)速為280 r/min時，新型系統(tǒng)的效率有1個相對低點，這是因為：繞組1的高效率轉(zhuǎn)速區(qū)間為低轉(zhuǎn)速段；繞組2的高效率轉(zhuǎn)速區(qū)間為高轉(zhuǎn)速段；雙繞組結(jié)構(gòu)將2套繞組的高效率區(qū)間疊加在一起，從而擴(kuò)大了系統(tǒng)的高效率轉(zhuǎn)速區(qū)間范圍。該圖揭示了新方法的另一個優(yōu)點：具有寬廣的高效率轉(zhuǎn)速范圍。

圖20顯示整個系統(tǒng)具有較高的效率(市場上傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的效率為75%~80%)。

圖18 新型發(fā)電機(jī)的定子照片

1—不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率；2—Pout1；3—Pout2；3—風(fēng)力機(jī)MPP曲線；4—Pin；5—Pout。

圖20 樣機(jī)系統(tǒng)的效率特性

圖21所示為MPPT實驗平臺的結(jié)構(gòu)框圖。圖中：ref為單片機(jī)輸出的參考轉(zhuǎn)矩信號；w為變頻器輸出的實際轉(zhuǎn)矩信號。該實驗使用變頻器、電動機(jī)、單片機(jī)以及轉(zhuǎn)動慣量盤來模擬風(fēng)力機(jī)。單片機(jī)根據(jù)風(fēng)速信號、轉(zhuǎn)速信號以及風(fēng)力機(jī)參數(shù)計算得到參考轉(zhuǎn)矩信號，并將該轉(zhuǎn)矩信號傳達(dá)給變頻器，最終由變頻器控制電動機(jī)輸出實際轉(zhuǎn)矩；慣量盤由1個鐵盤加多個負(fù)重鐵塊組成，能夠模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。綜上可知，該實驗平臺能夠較好地模擬風(fēng)力機(jī)特性。

圖22所示為實驗結(jié)果。需要指出：依據(jù)風(fēng)力機(jī)理論，風(fēng)力機(jī)運行在最大功率點時，其功率系數(shù)最大，約為0.48。因此，評判系統(tǒng)是否成功完成MPPT的標(biāo)準(zhǔn)為：風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)是否接近0.48。

圖22(a)所示為給定的風(fēng)速信號曲線。本實驗采用實時風(fēng)速輪廓線，文獻(xiàn)[26]介紹了獲得實時風(fēng)速信號的方法。由圖22(a)可見：風(fēng)速最小值約為4.2 m/s，最大值約為7.8 m/s，這比額定值(8 m/s)稍低。圖22(b) 所示為轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。從圖22(b)可見：發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化趨勢與風(fēng)速的變化趨勢一致。圖22(c)所示為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)曲線。從圖22(c)可見：在整個實驗過程中，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)接近0.48，其平均值明顯高于使用爬山法的傳統(tǒng)系統(tǒng)，這證明新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)了MPPT。圖22(d)所示為發(fā)電機(jī)的輸出功率。從圖22(d)可見：在時刻為97s時，新型系統(tǒng)的輸出功率約為950 W，此時的風(fēng)速為7.7 m/s，這些數(shù)據(jù)與額定值一致，表明被測系統(tǒng)運行正常，新型系統(tǒng)的輸出功率大于傳統(tǒng)系統(tǒng)。將輸出功率隨時間進(jìn)行積分，可以得到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出能量，如圖22(e)所示。從圖22(e)可以看出：在140 s的時間內(nèi)，新型系統(tǒng)的輸出能量比傳統(tǒng)系統(tǒng)多9kJ，提高約14.5%。

(a) 所施加的風(fēng)速信號；(b) 新型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)；(c) 風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)；(d) 系統(tǒng)的最終輸出功率；(e) 系統(tǒng)的最終輸出能量

使用無源MPPT方法的新型系統(tǒng)的動態(tài)MPPT性能明顯優(yōu)于使用HCS方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)的動態(tài)MPPT性能，根本原因在于HCS方法是盲目的，它并不“知道”趨向最大功率點的正確方向，這導(dǎo)致HCS方法存在響應(yīng)較慢這個痼疾。相反，由于新型系統(tǒng)的輸入特性曲線與風(fēng)力機(jī)的MPP曲線相吻合，當(dāng)風(fēng)速變化時系統(tǒng)可以自動地趨向新的最大功率點，無需判斷方向。因此，無源MPPT方法可以讓新型系統(tǒng)更迅速地跟蹤MPP，因而能夠輸出更多的電能。

綜上所述，實驗結(jié)果證明新型系統(tǒng)實現(xiàn)了無源MPPT，并且具有比傳統(tǒng)系統(tǒng)更強的MPPT能力。

4 結(jié)論

1) 由于省略了大量電子控制元件，采用無源MPPT方法的新型系統(tǒng)比采用電控方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)有著更高的可靠性，從而能夠更好地適應(yīng)野外環(huán)境。

2) 無源MPPT方法的現(xiàn)實條件是：發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸入功率特性曲線與風(fēng)力機(jī)的MPP曲線相吻合。為滿足該實現(xiàn)條件需要對發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)湟约鞍l(fā)電機(jī)本體進(jìn)行改進(jìn)：系統(tǒng)電路拓?fù)洳捎秒p三相整流并聯(lián)結(jié)構(gòu)；新型發(fā)電機(jī)含有兩套三相繞組并在每個槽內(nèi)置有電抗調(diào)整片。

3) 在MPPT實驗中，當(dāng)風(fēng)速變化時，風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)始終接近0.48，證明新型系統(tǒng)實現(xiàn)了無源MPPT；在140 s的時間內(nèi)，新型系統(tǒng)的輸出能量比傳統(tǒng)系統(tǒng)多9 kJ，提高約14.5%，證明新型系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)于使用HCS方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

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(編輯 陳愛華)

Passive MPPT method for stand-alone wind power generation systems

BAI Yinru, KOU Baoquan, CHAN C C

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Conventional maximum power point tracking (MPPT) methods used for stand-alone wind power generation systems (SWPGS) have low reliability, and thus a passive solution for MPPT was presented. Using a special structural design, it is possible to create a new generator system where the input power vs. rotor speed curve naturally fits to the wind turbine maximum power point (MPP) curve. This characteristic allows the proposed system to automatically realize MPPT without the use of any algorithm or electrical control device, thereby resulting in high reliability. The principle of the passive MPPT method was analyzed, and the mathematical model of the proposed system was established. The results show that the proposed system adopting the passive MPPT method can realize the passive MPPT, and its dynamic performance of MPPT is better than that of the conventional system using hill-climbing searching method.

maximum power point tracking (MPPT); passive; permanent magnet synchronous generator; stand-alone; wind power generation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.015

TM351

A

1672?7207(2017)02?0370?11

2016?03?22；

2016?06?19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2009AA05Z446)(Project(2009AA05Z446) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

寇寶泉，博士，教授，從事特種電機(jī)研究；E-mail：koubq@hit.edu.cn