小型風(fēng)電系統(tǒng)MPPT控制算法的研究

李紹武

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

圖1 風(fēng)力機功率-轉(zhuǎn)速特性

風(fēng)能是我國較豐富的能源之一，因其無污染、可再生等優(yōu)點，使風(fēng)力發(fā)電一直備受人們關(guān)注.雖然風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用系數(shù)較低，僅僅為0.593[1]，但只要實時控制風(fēng)力機工作在最佳葉尖速比附件，就可以大大提高風(fēng)力發(fā)電效率，從而提高能源利用率.本文以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，提出了一種最大功率跟蹤(MPPT)控制策略，一定程度上解決了傳統(tǒng)方法中功率跟蹤速度較慢的問題，同時，對于風(fēng)力變化較頻繁的情況，該算法也體現(xiàn)出較快的最大功率跟蹤速度和較強的穩(wěn)定性.

1 小型風(fēng)電系統(tǒng)的工作特性

風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖1所示，圖1中風(fēng)速滿足關(guān)系v1>v2>v3>v4>v5，虛線表示風(fēng)力發(fā)電機輸出功率曲線，實線表示最大功率負(fù)載線[2].從圖1中可以看出，在某一風(fēng)機轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)速越大時風(fēng)力機的輸出功率越大，而對某一風(fēng)速而言，總有一最大功率點存在.只有當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機工作在最佳葉尖速比時，才能輸出最大功率[3].因此，可以控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使其始終工作在最大功率負(fù)載線附近，來實現(xiàn)該系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制.

2 MPPT控制的實現(xiàn)

2.1 理論推導(dǎo)

圖2 功率變換器原理圖

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

設(shè)風(fēng)力發(fā)電由直流發(fā)電機來實現(xiàn)，根據(jù)文獻[1]可知，要使風(fēng)力發(fā)電機工作在最佳葉尖速比，發(fā)電機輸出電壓Vdc和輸出電流Idc必須滿足關(guān)系式：

Idc=AVdc+B

(1)

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機選定之后A和B均為常數(shù).功率變換器一般可以采用Buck電路、Boost電路和Buck-Boost電路[4]，此處采用Boost 變換器，原理如圖2所示.

當(dāng)系統(tǒng)工作在最大功率點時，由電路輸入輸出功率關(guān)系可得:

Vdc=RL(1-α)2Idc

(2)

其中：α為Boost變換器高頻開關(guān)PWM信號占空比.

由式(1)和式(2)聯(lián)立可解得:

(3)

式(3)表明，只要知道Vdc和RL的值并控制α滿足式(3)，就可以使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終工作在最佳葉尖速比附件，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制(MPPT).

考慮到上述結(jié)論是在無功率損耗的理想情況下得出的，因此在實際應(yīng)用中設(shè)置一個補償值Rcmps來修正占空比α的大小，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制更加準(zhǔn)確.此時，Boost變換器的占空比α′應(yīng)滿足關(guān)系:

(4)

補償值Rcmps的大小可通過實驗方法獲取，也可以通過單片機鍵盤進行調(diào)整，以補償不同開關(guān)情況下(如硬開關(guān)和軟開關(guān)、開關(guān)頻率差異等)的功率損耗.

2.2 控制方法

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法較多，常用的有恒定電壓法、擾動觀察法、導(dǎo)納增量法等，不同的方法均有自己的優(yōu)缺點[5].本設(shè)計對擾動觀察法進行適當(dāng)?shù)母倪M，以滿足在風(fēng)力變化較頻繁場合風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性的要求.

從理論推導(dǎo)的結(jié)論可以看出，為了節(jié)省總體跟蹤時間，可以首先對直流斬波電路按式(4)設(shè)置占空比，從而在大范圍內(nèi)減小暫態(tài)跟蹤時間，然后在小范圍內(nèi)根據(jù)擾動觀察法進行實時跟蹤.其中：式(4)中Vdc的值可以通過單片機A/D采樣獲得，負(fù)載電阻RL的值可以由單片機輸出電壓Vo采樣值和輸出電流Io采樣值計算得出，A和B的值由風(fēng)力發(fā)電機確定，補償值Rcmps可調(diào)整，未調(diào)整時采用默認(rèn)值.該方法在風(fēng)力變化較大的場合，可以大大縮小最佳葉尖速比的跟蹤時間，從而較大程度的改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤性能.

2.3 硬件電路

系統(tǒng)控制器硬件電路原理如圖3所示，以ATmega128單片機[6]為控制核心，采用該芯片的可編程PWM資源實現(xiàn)Boost斬波電路[7]的控制；通用I/O接口實現(xiàn)鍵盤、顯示和報警等功能；內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器完成電路控制中必要參數(shù)的檢測，主要包括輸入電壓檢測和輸出電壓、電流的檢測.控制電路的驅(qū)動電路采用IR2110集成驅(qū)動芯片設(shè)計[8]，單片機電源由風(fēng)力發(fā)電機輔助供電.

2.4 軟件設(shè)計

單片機軟件主要實現(xiàn)電壓電流采樣、PWM控制、參數(shù)設(shè)置等功能，其中參數(shù)設(shè)置和顯示采用中斷方式完成.圖4為整個控制系統(tǒng)的主程序流程圖.其中：α0為按式(4)設(shè)置的占空比初值，P0為此時的功率初值.為防止系統(tǒng)在最大功率點左右振蕩影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，特設(shè)置一常數(shù)Δα，當(dāng)占空比差值小于該值時，認(rèn)為系統(tǒng)正工作于最大功率點，停止擾動搜索.同時，Δα的值可以根據(jù)輸出穩(wěn)態(tài)性能要求進行調(diào)整，未調(diào)整時采用缺省值0.005.

圖4 主程序流程圖

圖5 輸出功率波形

3 仿真和結(jié)果分析

為了驗證MPPT控制算法的有效性并分析系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，采用MATLAB軟件和PROTEUS軟件進行互補仿真.采用MATLAB軟件可測出在較理想的情況下補償值Rcmps的大小，而采用PROTEUS軟件可以實現(xiàn)AVR單片機的仿真，以分析實際情況下系統(tǒng)的最大功率跟蹤特性.測試補償值Rcmps時，保持Vdc不變，改變占空比α′，測量結(jié)果如表1所示.

表1 參數(shù)測試表

通過計算可得補償值Rcmps約為0.094歐姆，可取0.1歐.然后通過PROTEUS軟件對擾動觀察法改進前后兩種情況進行仿真，結(jié)果如圖5所示.其中，曲線A表示擾動觀察法改進前的輸出功率波形，曲線B表示擾動觀察法改進后的輸出功率波形.

從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，對擾動觀察算法改進后可以明顯的減小系統(tǒng)的最大功率搜索時間，較大程度的改善了系統(tǒng)的暫態(tài)性能，從而增強了系統(tǒng)對風(fēng)力變化頻繁情況下的適應(yīng)能力.

4 結(jié)論

本設(shè)計以AVR單片機為控制器核心，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤(MPPT)算法進行了改進，仿真結(jié)果顯示了算法改進后對提高風(fēng)電系統(tǒng)整體性能的有效性.從改善現(xiàn)有小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)性能方面分析，該算法有一定的參考價值，在充分利用不同地域的風(fēng)能資源方面，也具有一定的實用價值和市場推廣價值.

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