离网型风力发电机系统的MPPT控制策略研究

T he St udy of M P PT Control Strat egy for St and Alone W ind Generat ion System
LIU Y ong liang , L I Xiu juan, L IU Y i jian ( Dipart ment o f Electrical A uto mation, Shanghai M arit ime U niver sity, Shanghai 200135, China) Abstr act: Wind energ y g ener ation is a renew able energ y g ener ation technique, and it is a kind industry which is v ery import ant to sustainable develo pment of t he natio nal eco no my. Based on the analy sis of wind turbine character istics, the i dea of tr acing and capturing max imal w ind energ y is investig ated, and a t ype o f M P PT contro l method that is applied in st and alo ne w ind g ener atio n system is studied. Key wo rds: w ind pow er g ener ation; maxima l w ind energ y captur e; max imum po wer po int tracking
为风力机的风能吸收系数, 是叶尖速比 和叶片桨距 角 的函数。叶尖速比 的定义如下: = !r R/ v 式中 , !r 为风力机旋转机械 角速度; R 为风轮叶片半 径。 风能吸收系数 C p 定义为 : C p = P m / P in 式中 , P in 为单位时间内输入风力机的风能。可以根 据数值近似计算的方法, 得到 C p 的计算公式: C p ( , ) = 0 . 5176( 116 1 - 0. 4 - 5) e- 21 i + 0. 0068 式中 ,
图 1 风力机 C收稿日期 : 2010 04 19 作者简介 : 刘永 亮 ( 1984 ) , 男 , 硕 士 , 上 海海 事大 学电 力电 子 与电力传动专业在读硕士研究生 , 研究 方向为电 力电子技术 及 装置 。 34 曲线
图 1 中, 对于任一 角, 总有一个对应的最佳的风 能吸收系数 Cp, m ax 的最佳叶尖速比 opt , 这时风力机的 能量转换效率最 高。例如当 = 0 时, 最 佳叶尖速比
工况 4: 负载功率较大, 发电机输出的最大功率小 于负载功率, 如果蓄电池有可放电能, 则蓄电池执行放 电动作, 共同来 满足负 载用 电需 要, 此 时, 要求 进行 MP PT 控制, 使风力机运行在最大功率点上。 工况 5: 发电 机输出的 功率大 于负载 所需 功率。 如果蓄电池尚未充满, 则可以将多余的能量给蓄电池 充电。同样, 要求风力机能运行在最大功率点上。 工况 6: 负载功率较小, 发电机输出功率远大于负 载功率, 在满足负载所需功率的同时, 可以提供给蓄电 池所需的充电能量。如果控制风力机工作在最大功率 点上 , 发电机输出的功率出现更多的富余, 所以 , 要求 风力机偏离最大功率点运行。 3. 2 变步长 MPPT 策略 对于离网型风力发电系统 , 风速变化快速而频繁, 其最大功率点跟踪较为复杂。以永磁同步发电机作为 发电机部分而研究的最大功率点跟踪 方法有以下几 种: 正弦波小扰动法 ; 最佳转速曲线跟踪方法 ; 以及基 于上述两种方法的扰动观察法。本文对扰动观察法做 了些许改进, 提出了一种应用于离网型风电系统的变 步长扰动 M PP T 策略 , 如图 5 所示。 当运行中对变步长扰动法做几点改进 , 如图 6 所 示。其中 : 输出功率判断表达 式, 由 p ( n - 1 ) < p ( n ) 改 为: | ∀P ( n) |= |P ( n) - P ( n- 1) | ! # ; ∀ 设 置 占空 比 边 界值 ( 最 大 值 D max 及最 小 值 D min ) ; # 将接近最大功率点附近设置左标记 P left 及右标 记 P right , 并确定跟踪点在曲线的左 设置 #目的是提高系统稳定度, #由风电系统 特性和功率采样的精度决定; ∀ 加边界值的目的是加快追踪速度 ( 减少比较次 数) , 当没有跟踪到右标记点 P r ight , 跟踪点小于最大值 D max , 占 空比 向 右 ( 增 加 ) ; 当 没有 跟 踪 到 左标 记 点 P left , 跟踪点大于最小值 D min , 占空比向左 ( 减少 ) ; 当 不符合占空比判断表达式 D ( n) > D ( n - 1 ) 或 D ( n ) < D ( n- 1) , 及不符合边界判断式 D ( n ) > D m in 或 D ( n) < D max , 不改变负载端状态。如图 6 所示。
工况 2: 发电机转速或转矩已经达到极限参数 , 此 时风能只能流向卸荷负载 , 系统处于风力发电机组保 护状态; 工况 3: 蓄电池达到极限放电深度时 , 切除负载, 系统处于蓄电池保护控制状态。 在正常情况 , 主要有 3 种工作工况 , 如图 4 所示。
图3
风力发电机系统框图
图2
Pm - ! r 曲线
i
i
满足
时, C p -
1 0 . 035 - 3 , 当桨距角 一定 + 0. 08 +1 曲线如图 1 所示。 1
i
=
1 风力机功率
风力机是将风能转化为机械能的装置 , 主要由风 轮、 限速装置、 调向装置和塔架等部分组成。根据贝兹 理论 , 单位时间内风力机输出捕获的风能为: P m = 0. 5C p S v 3 式中 , 为空气密度; S 为风轮的掠面积 ; U 为风速; C p
图4
输出功率状态图
3 系统结构及功率控制策略
风力发电机的输出功率等于风能与转换效率的乘 积。风能与风速的三次方成正比, 而风能转换效率取 决于风机固有的叶尖速比 特性。风机的 叶尖速比不 同, 转换效率也有所不同, 如果在某个叶尖速比下, 转 换效率达到最高, 则此叶 尖速比称为最佳叶 尖速比。 最大功率控制是指, 在不同风况下 , 控制系统自动搜索 最佳叶尖速比状态, 获得最大输出功率 , 从而最大限度 地利用风能。本系统中, 风叶叶轮驱动交流发电机 , 发 出的交流电经过电能变换控制装置转变为直流储存于 蓄电池中 ; 测风装置采用霍尔传感器与脉冲信号的原 理工作, 或通过检测叶轮转速方式实现 ; 控制电路根据 风速通过控制电能变换装置来控制输出功率 , 保持相 应风速下的最大功率输出如图 3 所示。 3. 1 系统工况分析 通过对系统运行时风力发电机输出功率 P W 、 负载 功率 P L 和蓄电池可以接受的充入功率 P B 三者之间关 系的分析, 提取出离网型风力发电系统的工作工况。 在极限情况下, 主要有 3 种工作工况: 工况 1: 无风、 无负载, 系统处于静止状态;
图 7 边界值示意图
( a) 从最大点左侧跟踪 ( b) 从最大点右侧跟踪 图 6 变步长跟踪示意 图
假如 P ( n- 1) 在左半部, P ( n ) 在右半部 , P ( n- 1) 大于 P ( n) 时, 占空比应向左移动; 移动到左半部 P ( n) 小于右半部 P ( n - 1) 时, 占空比会往右移动; 如此会导 致跟踪到的值会经过最大值 , 结果会在最大值点跳动 ( 占空比值越大, 跳动越大 ) 不稳定 , 如图 7 ( a) 和 图 7 ( b) 所示。同理 P ( n- 1) 值在右半部 , P ( n) 在左半部, P ( n - 1 ) 大于 P ( n) 时, 占空比应该往右移动, 当移动 到右半部 P ( n) 小于左半部 P ( n- 1 ) 时, 占空比会往左 移动 ; 如此会导致跟踪到的值会越过最大值, 结果会在 最大值旁跳动不稳定 , 如图 7( d) 和图 7 ( e) 所示。其中 A 点为 P ( n- 1) , B 点为 P ( n) , C 点为 P ( n + 1 ) 。 假如 P ( n) 、 P ( n- 1) 同在左半部, 如图 7( c) 所示, 当 P ( n) 大于 P ( n- 1) 时 , 占空比会往右移动( 增加 ) ; 当 P
2 最大风能捕获原理
图 2 给出了风力机在不同风速下( v 1 > v 2 > v3 ) 轴上 输出的功率 P m 与转速 !r 的关系。可以看出 , 风速一定 时, 转速不同会使风力机输出功率不同。总有一个固定 的最佳转速 !r, opt 使风力机运行于此转速下 , 会达到最佳 叶尖速比 opt , 从而捕捉最大风能, 输出最大功率。
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2010 年 9 月 25 日第 27 卷第 5 期
T elecom Po wer T echno log y
Sep. 25, 2010 , V ol. 27 N o. 5
( n) 跑到右半部时 , 如果还是大于左半部 P ( n- 1) 时, 会 误认已经跟踪到最大值, 如果加上跟踪到右标记时, 会 把 P( n) 左移修正回到最大值。同理 P ( n) 、 P( n- 1) 同 在右半部时, 如图 7( f ) 所示 , P( n) 大于 P ( n- 1) 时, 占 空比会往左移动( 减少) ; 当 P( n) 跑到左半部时, 如果还 是大于右半部 P( n- 1 ) 时, 会误认已经跟踪到最大值 , 如果加上跟踪到左标记时, 会把 P( n) 右移修正回到最 大值。如此设定标记能解决误认跟踪到最大值的问题 , 会把 P( n) 修正回到最大值, 并解决结果会在最大值旁 跳动不稳定的问题。参照图 7 做的改进之处, 得出如图 8 所示的改进变步长 MPPT 控制策略。