小型风力发电系统功率控制策略的研究

葛超铭，李少纲

（福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

0 引言

随着社会的快速发展，人们对能源的需求越来越大。风能等可再生能源清洁、无污染、分布广泛，用之不竭，能够在很大程度上解决人类能源不足及环境问题。

然而风能具有随机性、分布不均匀、不稳定性等特点，这些给风能利用带来了许多问题。风力发电系统捕获风能的能力不仅受其机械特性有关，还与所采用的控制策略有关。所以采用恰当的控制策略，能够提高风电能量转换效率，使风轮快速的响应风速的变化，使实际输出功率曲线与最佳功率曲线吻合，充分利用风能。本文对常用的控制策略采用MATLAB/Simulink进行仿真分析及实验，在此基础上通过推导功率－占空比关系提出了改进的控制策略，通过比较，改进的控制策略在响应速度、稳定性方面具有优势，成本小、易于实施［1］。

1 风力发电机及其运行特性

根据风力机的空气动力学特性，风力机输出机械功率可表示为:

式中CP为风能利用系数;R为风轮半径，ρ为空气密度，V为风速。由式（1）可知，在风轮叶片大小、风速和空气密度一定时，影响功率输出的唯一因素是风能利用系数CP，输出功率与CP成正比，而CP是叶尖速比λ的函数，λ可以表示为:

式中ωr为风力机角速度，n为风力机转速。风力机特性通常用CP和λ之间的关系来表示，典型的CP=f（λ）关系曲线如图1所示。

图1 典型CP与λ关系曲线

在不同的风速下，均有唯一的最佳转速使风力机输出最大机械功率，将这些最大功率点连接起来可以得到一条最大输出机械功率曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。因此在不同风速下控制风力机转速向最佳转速变化就可以实现最大功率控制［2］。不同风速下风力机的功率－转速特性曲线，如图2所示。

从图1可以看出，在CP随着λ的变化过程中，存在着一点λm可以获得最大的风能利用系数CPmax，即最大输出功率点。将（2）代入（1）可得:

图2Pm=f（n）特性曲线

2 风力发电机功率控制策略分析

根据对风力发电机运动特性的可知，为了能够使Cp保持在最大点附近，当风速发生改变时，可以通过对风力发电机进行变速控制，使风力发电机最大效率的捕获风能［3］。下文介绍了常用的策略，并MATLAB/Simulink进行建模分析，在此基础上寻找改进的策略以获得满意的效果。

2.1 叶尖速比控制策略

最佳叶尖速比控制策略是保持风轮机的叶尖速比始终在最优值处，从而使风力发电机输出功率始终为最大。其仿真如图3所示，它将风速信号（v）与对应的风轮机转速信号（ω）进行比较作为控制器的输入信号，并与系统最佳叶尖速比值进行对比分析，从而使系统构成一个闭环控制系统［4］。当计算得到的叶尖速比值不为最佳值时，系统根据偏差值的大小进行调节，从而使系统输出功率值最大。

为了分析叶尖速比控制策略的特性，设置了风力机风速开始时为6 m/s，在0.4 s 时 风速发生改变为8 m/s，如图4（a）所示。图4（b）和图4（c）风别为风能利用系数及发电机输出功率仿真曲线。可以看出该策略容易实现，跟踪速度快，风能利用率高，但是需要测量风轮转速和实时风速，增加了系统的成本及复杂度。不同风轮机，其最佳叶尖速比曲线不同，在实际工程应用中较少。

图3 叶尖速比控制仿真

图4 叶尖速比控制策略仿真结果

2.2 最佳转速曲线跟踪策略

当叶尖速比达到最佳值λopt时，风轮机输出最大机械功率。根据一个地区的历史风能情况，制作一个详细的风力发电机输出功率与风轮机转速对应关系表，实际操作中通过测量得到风轮机转速，经过查表法，找到当前转速下对应的风力发电机最大输出功率，并与实际的发电机输出功率比较得到差值信号，从而实现对风力发电系统最优化的控制，其仿真如图5所示。

设置与叶尖速比控制策略相同的风速信号，通过仿真结果可以看出，该控制策略的输出特性和叶尖速比控制策略的输出特性差别不大，但是无需知道风速，这种控制方法要获得大量的历史风能数据，输出功率—转速曲线很难获得［5］。

图5 最佳转速曲线跟踪仿真

图6 扰动搜索法

2.3 扰动搜索策略

扰动搜索策略可以避免测量风速大小或者风轮转速，同样不需要考虑风轮的空气动力学特性。在风轮转动惯量较小的情况下，可通过软件编程运算来找到风力发电机输出的最大功率值，通过相邻两个时刻值的采样功率进行比较，从而调节风轮机转速，不断调整发电机输出功率，直到系统输出功率值为最大。

通过图（2）功率－转速特性曲线可以看出，在某一特定风速下，转速和功率具有唯一的最大值点，扰动搜索方法可以直接给予转速扰动变化量，通过改变发电机电磁转矩达到最佳转速。也可通过扰动DC/DC变换器的占空比，改变输入电阻，实现发电系统的功率匹配，间接控制风轮转速，实现最大功率跟踪，其控制策略如图6所示。

根据扰动法的控制策略建立仿真模型，设置了风力机风速开始时为6 m/s，在0.3 s和0.6 s时风速发生改变分别为8 m/s、10 m/s，如图7（a）所示。此控制策略不需要测量风速，也不需要风机特性，减少了控制器设计的难度。但是从图中也可以看出调整步长D，存在调整步长大小问题，步长较大时，相应速度较快，但系统稳定性会变差，功率损失变大，跟踪效果与上文所提的控制策略相比效果不理想，风能利用系数降低了0.063如图7（b）所示，且在风速突变时，会发生误判断如图7（c）所示。

基于风力机功率特性为凸函数这一特性，可以使用三点比较法，在功率－转速特性曲线上取三个不同点进行对比，根据输出功率的比较大小来获得最佳转速［6］。但风能的不确定性，会导致跟踪的失败。通过仿真结果可以看出对于小型风力发电机，采用三点法跟踪速度没有扰动法好。

3 改进的功率控制策略

为了避免使用额外的成本测量风速、风轮转速，同时由改善扰动法引起的问题，提出一种改进的控制算法。为了验证算法可靠，下文推出功率与占空比的关系。在最佳转速处有ΔP/Δnr=0，通过该可以得出:

由BOOST电路的输入电压与输出电压的关系，风机的机械角速度与发电机的电角速度的关系以及整流输出电压与发电机速度近似比例关系，可以知道 ΔD/ΔVin= －Vdc≠0，Δn/Δnr=p＞0，ΔVin/Δn≠0，所以可以推断出 ΔP/ΔD=0，功率—占空比曲线存在唯一的极值点，通过扰动占空比，就可以实现最大功率跟踪［7］。改进的控制策略如下，系统初始化后，采集此时的电压和电流值，并与前一时刻比较得出功率差和电压差，通过功率增大还是减小，来决定占空比D的数值是变大还是变小，当ΔP＞0，D的改变量 ΔDk= ΔPk－1/ΔDk－1，当 ΔP＜ 0 时，ΔDk=（ΔPk－1/ΔDk－1），而ΔP＞0和ΔD的比值来决定占空比的数值改变大小，

图7 扰动搜索策略仿真结果

当 |ΔP/ΔD| ＞A时，说明此刻功率点远离最大功率点，占空比改变量的比例因子m1较大，否则说明此刻比较接近最大功率点，占空比改变量的比例因子m2较小［8－9］。通过距离最大功率点的位置，增大或较少占空比改变量数值，从而有效地跟踪最大功率点，了减小扰动法对功率波动的损失以及风速突变引起的误操作，跟踪速度慢等问题，改控制策略如图8所示。

图8 改进的控制策略

设置仿真参数与扰动搜索策略相同，通过结果可以看出该策略相应速度快，稳定性得到了提高，避免了误判断，与叶尖速比控制策略和最佳转速曲线跟踪方法相比，便于应用在工程实例中。

图9 改进的控制策略仿真结果

4 硬件设计及实验结果

图10为硬件设计部分原理图。DSP采用集成度较高、处理速度较快的TMS320F2812型芯片，MOSFET驱动电路采用高速光耦隔离器件和具有加速MOSFET开关速度的辅助电路组成，开关电源调节芯片采用 TL494［10］。

图10 硬件设计部分原理图

取两台同型号的样机，其中一台使不用MPPT装置，另一台采用改进的控制策略，且带同种阻性负载进行对比实验，分别采集4组结果如表1所示。

表1 实验对比结果

由表1可见，采用改进的MPPT控制策略能提高发电系统的输出功率及效率，验证了改进策略的有效性。

5 结束语

针对风能的独特特性，通过建立风力发电功率控制系统仿真模型并分析，在推导功率与占空比的关系的基础上，提出改进的控制策略，能够快速响应和稳定，在风速发生突变的情况下，不会出现误判断，跟踪效果较好。制作两台同型号的样机，验证了有效性。随着智能算法的发展，把它与传统控制策略相结合弥补各自不足，将会达到更好的控制效果。

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