小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究

方寧

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 株洲 412001)

1 引言

近年來(lái)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組推廣應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。除了傳統(tǒng)的廣大農(nóng)牧區(qū)用戶(hù)應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組照明看電視以外，由于汽油、柴油價(jià)格飛漲，且供應(yīng)渠道不暢通，內(nèi)陸、江湖、漁船、邊防哨所、部隊(duì)、氣象、微波站等使用柴油發(fā)電的用戶(hù)，逐步改用風(fēng)力發(fā)電或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電。此外，生態(tài)環(huán)保公園、林蔭小道、別墅庭院等地方，也購(gòu)買(mǎi)安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，作為景觀，供人們休閑欣賞［1］。本文對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三種控制策略進(jìn)行了研究。

2 能量?jī)?yōu)化管理集成控制策略［2］

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般包括能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)、能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)、能量消耗環(huán)節(jié)3部分。該系統(tǒng)采用定槳距風(fēng)力機(jī)直接耦合永磁同步發(fā)電機(jī)方式，在二極管整流橋和蓄電池之間插入DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)能量控制。整個(gè)系統(tǒng)不使用測(cè)風(fēng)速裝置，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出交流電壓的頻率或幅值與轉(zhuǎn)速之間對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量。風(fēng)力機(jī)超速保護(hù)采用機(jī)械折尾翼限速與電氣耗能電阻限速相結(jié)合方式，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，提高運(yùn)行可靠性。

圖1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 能量流動(dòng)分析

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)捕獲能量的傳遞方向始終是單向的，而發(fā)電機(jī)輸出電能的流向根據(jù)外電路的變化有不同的方向。蓄電池的能量流動(dòng)為兩個(gè)方向，依據(jù)外電路的不同可以工作在充電或放電狀態(tài)，蓄電池的充電和放電過(guò)程根據(jù)負(fù)載情況的不同隨機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于風(fēng)能和負(fù)載的隨機(jī)性，為最大限度地利用風(fēng)能及保證蓄電池的合理工作狀態(tài)，集成控制方案將根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，合理調(diào)度能量流動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率PE、負(fù)載消耗功率PL和蓄電池可以接受的充電功率PB，三者之間關(guān)系及相應(yīng)的控制模式見(jiàn)表1。

表1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量流動(dòng)關(guān)系

2.3 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換

隨著風(fēng)速和負(fù)載不斷變化，上述8種工作狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的電壓和電流可判斷系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)，圖2給出了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換是在能量合理調(diào)度的基礎(chǔ)上完成的，而工作狀態(tài)又包含最大功率跟蹤控制、負(fù)載跟蹤控制、蓄電池充放電控制及發(fā)電機(jī)超速保護(hù)控制等控制模式，該能量?jī)?yōu)化管理集成控制方案可以提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率及改善蓄電池的工作狀況，從而實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠性運(yùn)行。

圖2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3 最大功率控制的擾動(dòng)法［3］

由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中蓄電池和電容的存在，使蓄電池輸出電壓基本保持恒定，因此調(diào)節(jié)斬波器輸出電流就實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁發(fā)電機(jī)電磁功率的調(diào)節(jié)，斬波器具有變換阻抗的作用，通過(guò)控制斬波器的占空比，可以調(diào)節(jié)斬波器的輸入電阻，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸入、輸出特性與負(fù)載阻抗相匹配，使發(fā)電機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，從而控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性曲線(xiàn)如圖3所示，從圖中可以看出，最大功率的連線(xiàn)(點(diǎn)劃線(xiàn))將曲線(xiàn)族分為A和B兩部分，最大功率控制擾動(dòng)法的基本思想是:在系統(tǒng)中注入小幅正弦波信號(hào)，此信號(hào)和控制器輸出進(jìn)行疊加，形成斬波器控制信號(hào);控制器輸出是通過(guò)在正弦波信號(hào)的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)時(shí)刻分別對(duì)輸出電流采樣，利用采樣值差的積分產(chǎn)生的。

圖3 小型風(fēng)機(jī)的輸出特性

最大功率控制擾動(dòng)法的基本原理如圖4所示，設(shè)正弦波擾動(dòng)信號(hào)的幅值為dm，角頻率為ω，當(dāng)系統(tǒng)工作A區(qū)時(shí)，假定系統(tǒng)工作在a0點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的占空比為d0，正弦波信號(hào)產(chǎn)生的擾動(dòng)量在d1和d2之間連續(xù)變化，則此時(shí)瞬時(shí)占空比d為:

d=d0+dmsin(ωt)

圖4 最大功率擾動(dòng)法控制原理

在輸出電壓恒定時(shí)，輸出功率與輸出電流成正比，當(dāng)測(cè)得來(lái)自電流檢測(cè)回路的電流時(shí)，d0由下式?jīng)Q定:

系統(tǒng)工作在A區(qū)時(shí)，隨著占空比的增大，系統(tǒng)輸出功率增大，此時(shí)的占空比d應(yīng)向頂點(diǎn)方向增大。當(dāng)系統(tǒng)工作在B區(qū)時(shí)，隨著占空比的增大，系統(tǒng)輸出功率減小，此時(shí)的占空比d應(yīng)向頂點(diǎn)方向減小。

當(dāng)測(cè)得來(lái)自電流檢測(cè)回路的電流I1=I2時(shí)，Δd=0，這時(shí)占空比穩(wěn)定在最大點(diǎn)上。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大點(diǎn)時(shí)，輸出電流和擾動(dòng)信號(hào)之間的相位差為90°。利用小信號(hào)擾動(dòng)法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平均功率達(dá)到最大值，而且方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

4 三點(diǎn)比較法控制

三點(diǎn)比較算法在跟蹤穩(wěn)定性方面是對(duì)固定步長(zhǎng)的爬山算法和變步長(zhǎng)算法的一種結(jié)合和改進(jìn)。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)P—D曲線(xiàn)的單峰性及占空比調(diào)整步長(zhǎng)值ΔD較小，我們?cè)陲L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)P—D曲線(xiàn)峰值點(diǎn)附近從左到右依次取三個(gè)點(diǎn)，(D1，P1)，(D2，P2)，(D3，P3)分別對(duì)應(yīng)各工作點(diǎn)的占空比和功率。設(shè)D2為初始最大負(fù)載功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的占空比值Dmax，DD是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的用于占空比步長(zhǎng)調(diào)整的常量。于是我們會(huì)得到如圖5～圖7所示的情形:

(1)當(dāng)P1＜P2且P2≤P3時(shí)，MPPT控制單元執(zhí)行

{D2=D3;D1=D2－ΔD;D3=D2+ΔD}，如圖5所示。

圖5 當(dāng)P1＜P2且P2≤P3的情況

(2)當(dāng)P1＜P2且P2＞P3時(shí)，MPPT控制單元執(zhí)行

{ΔD=ΔD－DD;D1=D2－ΔD;D3=D2+ΔD}，如圖6所示。

圖6 當(dāng)P1＜P2且P2＞P3的情況

(3)當(dāng)P1≥P2且P2＞P3時(shí)，MPPT控制單元執(zhí)行

{D2=D1;D1=D2－ΔD;D3=D2+ΔD}，如圖7所示。

圖7 當(dāng)P1≥P2且P2＞P3的情況

這種算法在第一種情況和第三種情況時(shí)，也即第二工作點(diǎn)的功率值P2離當(dāng)前風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的負(fù)載兩端最大功率值點(diǎn)Pmax較遠(yuǎn)時(shí)，我們采用類(lèi)似于爬山算法的固定步長(zhǎng)擾動(dòng)，使工作點(diǎn)功率值能夠快速地接近最大功率值點(diǎn)，提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性;當(dāng)?shù)诙ぷ鼽c(diǎn)功率值較為接近當(dāng)前風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的負(fù)載兩端最大功率值點(diǎn)Pmax時(shí)，我們采用類(lèi)似于變步長(zhǎng)算法的變步長(zhǎng)擾動(dòng)，使工作點(diǎn)功率值能夠更加精確細(xì)致地接近最大功率值點(diǎn)，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)精度的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的推廣應(yīng)用對(duì)于改善用電結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)的生產(chǎn)、生活用能，推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。簡(jiǎn)化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)于小型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有非常重要意義。

［1］葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)［M］.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］齊志遠(yuǎn).小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量管理集成控制的研究［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

［3］翁翔羿，張曦煌.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速追蹤策略的仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(5):328 －332.