小型风电系统MPPT控制算法的研究

李绍武

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

图1 风力机功率-转速特性

风能是我国较丰富的能源之一，因其无污染、可再生等优点，使风力发电一直备受人们关注.虽然风力发电系统的风能利用系数较低，仅仅为0.593[1]，但只要实时控制风力机工作在最佳叶尖速比附件，就可以大大提高风力发电效率，从而提高能源利用率.本文以小型风力发电系统为研究对象，提出了一种最大功率跟踪(MPPT)控制策略，一定程度上解决了传统方法中功率跟踪速度较慢的问题，同时，对于风力变化较频繁的情况，该算法也体现出较快的最大功率跟踪速度和较强的稳定性.

1 小型风电系统的工作特性

风力发电机的输出功率-转速特性曲线如图1所示，图1中风速满足关系v1>v2>v3>v4>v5，虚线表示风力发电机输出功率曲线，实线表示最大功率负载线[2].从图1中可以看出，在某一风机转速情况下，风速越大时风力机的输出功率越大，而对某一风速而言，总有一最大功率点存在.只有当风力发电机工作在最佳叶尖速比时，才能输出最大功率[3].因此，可以控制风力发电系统使其始终工作在最大功率负载线附近，来实现该系统的最大功率跟踪控制.

2 MPPT控制的实现

2.1 理论推导

图2 功率变换器原理图

图3 风力发电系统原理图

设风力发电由直流发电机来实现，根据文献[1]可知，要使风力发电机工作在最佳叶尖速比，发电机输出电压Vdc和输出电流Idc必须满足关系式：

Idc=AVdc+B

(1)

当风力发电机选定之后A和B均为常数.功率变换器一般可以采用Buck电路、Boost电路和Buck-Boost电路[4]，此处采用Boost 变换器，原理如图2所示.

当系统工作在最大功率点时，由电路输入输出功率关系可得:

Vdc=RL(1-α)2Idc

(2)

其中：α为Boost变换器高频开关PWM信号占空比.

由式(1)和式(2)联立可解得:

(3)

式(3)表明，只要知道Vdc和RL的值并控制α满足式(3)，就可以使风力发电系统始终工作在最佳叶尖速比附件，从而实现风力发电系统的最大功率跟踪控制(MPPT).

考虑到上述结论是在无功率损耗的理想情况下得出的，因此在实际应用中设置一个补偿值Rcmps来修正占空比α的大小，使风力发电系统的最大功率跟踪控制更加准确.此时，Boost变换器的占空比α′应满足关系:

(4)

补偿值Rcmps的大小可通过实验方法获取，也可以通过单片机键盘进行调整，以补偿不同开关情况下(如硬开关和软开关、开关频率差异等)的功率损耗.

2.2 控制方法

风力发电系统控制方法较多，常用的有恒定电压法、扰动观察法、导纳增量法等，不同的方法均有自己的优缺点[5].本设计对扰动观察法进行适当的改进，以满足在风力变化较频繁场合风力发电机系统快速性和稳定性的要求.

从理论推导的结论可以看出，为了节省总体跟踪时间，可以首先对直流斩波电路按式(4)设置占空比，从而在大范围内减小暂态跟踪时间，然后在小范围内根据扰动观察法进行实时跟踪.其中：式(4)中Vdc的值可以通过单片机A/D采样获得，负载电阻RL的值可以由单片机输出电压Vo采样值和输出电流Io采样值计算得出，A和B的值由风力发电机确定，补偿值Rcmps可调整，未调整时采用默认值.该方法在风力变化较大的场合，可以大大缩小最佳叶尖速比的跟踪时间，从而较大程度的改善风力发电系统的最大功率跟踪性能.

2.3 硬件电路

系统控制器硬件电路原理如图3所示，以ATmega128单片机[6]为控制核心，采用该芯片的可编程PWM资源实现Boost斩波电路[7]的控制；通用I/O接口实现键盘、显示和报警等功能；内部集成的A/D转换器完成电路控制中必要参数的检测，主要包括输入电压检测和输出电压、电流的检测.控制电路的驱动电路采用IR2110集成驱动芯片设计[8]，单片机电源由风力发电机辅助供电.

2.4 软件设计

单片机软件主要实现电压电流采样、PWM控制、参数设置等功能，其中参数设置和显示采用中断方式完成.图4为整个控制系统的主程序流程图.其中：α0为按式(4)设置的占空比初值，P0为此时的功率初值.为防止系统在最大功率点左右振荡影响系统稳态性能，特设置一常数Δα，当占空比差值小于该值时，认为系统正工作于最大功率点，停止扰动搜索.同时，Δα的值可以根据输出稳态性能要求进行调整，未调整时采用缺省值0.005.

图4 主程序流程图

图5 输出功率波形

3 仿真和结果分析

为了验证MPPT控制算法的有效性并分析系统工作的稳定性，采用MATLAB软件和PROTEUS软件进行互补仿真.采用MATLAB软件可测出在较理想的情况下补偿值Rcmps的大小，而采用PROTEUS软件可以实现AVR单片机的仿真，以分析实际情况下系统的最大功率跟踪特性.测试补偿值Rcmps时，保持Vdc不变，改变占空比α′，测量结果如表1所示.

表1 参数测试表

通过计算可得补偿值Rcmps约为0.094欧姆，可取0.1欧.然后通过PROTEUS软件对扰动观察法改进前后两种情况进行仿真，结果如图5所示.其中，曲线A表示扰动观察法改进前的输出功率波形，曲线B表示扰动观察法改进后的输出功率波形.

从仿真结果可以得出结论，对扰动观察算法改进后可以明显的减小系统的最大功率搜索时间，较大程度的改善了系统的暂态性能，从而增强了系统对风力变化频繁情况下的适应能力.

4 结论

本设计以AVR单片机为控制器核心，对风力发电系统的最大功率跟踪(MPPT)算法进行了改进，仿真结果显示了算法改进后对提高风电系统整体性能的有效性.从改善现有小型风力发电系统性能方面分析，该算法有一定的参考价值，在充分利用不同地域的风能资源方面，也具有一定的实用价值和市场推广价值.

参考文献:

[1]彭国平，李帅，鱼振民，等.小型风电系统最大功率跟踪的研究[J].西安交通大学学报，2004，38(4)：357-360.

[2]鲁闯，朱东柏，沈中元,等.直驱风力发电系统MPPT控制方法的研究[J].电测与仪表，2008，45(8)：61-64.

[3]王群京，王涛，李国丽.小型风光互补MPPT控制的研究[J].电气传动，2009，39(5)：40-42.

[4]杨帆，彭宏伟，胡为兵.DC-DC转换电路在光伏发电MPPT中的应用[J].武汉工程大学学报，2008，30(3)：104-106.

[5]徐鹏威，刘飞，刘邦银，等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J].电力电子技术，2007,41(5)：3-5.

[6]全钟夫，杜刚.ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008：103-107.

[8]李绍武.家用风光互补发电系统的设计与MPPT控制[J].湖北民族学院学报：自然科学版，2010，28(3)：357-360.