小型民用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤策略研究

關(guān)菲菲　徐菲　付杰　朱剛

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機(jī)輸出特性，確定風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)。采用擾動(dòng)觀察法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)查找風(fēng)力機(jī)的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時(shí)的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴(yán)重，其固有的隨機(jī)性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機(jī)最優(yōu)工作狀態(tài)，對(duì)最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負(fù)載等組成。首先，風(fēng)力機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動(dòng)的電壓，再由濾波電容將變動(dòng)的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過(guò)DC/DC變換器和逆變器對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。

1.1 風(fēng)力機(jī)發(fā)電原理

風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機(jī)部分和發(fā)電機(jī)部分組成。首先，風(fēng)力機(jī)吸收自然界中的風(fēng)能并推動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能；然后，機(jī)械能通過(guò)傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)繼而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機(jī)輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)速的要求都十嚴(yán)格。風(fēng)速過(guò)小，風(fēng)力機(jī)無(wú)法啟動(dòng)；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機(jī)有損壞的危險(xiǎn)。風(fēng)力機(jī)有一個(gè)最低啟動(dòng)風(fēng)速Vmin，用來(lái)克服起動(dòng)初期風(fēng)力機(jī)自身扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的摩擦（一般來(lái)說(shuō)，起動(dòng)風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機(jī)都有一個(gè)規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機(jī)風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機(jī)達(dá)到標(biāo)稱功率輸出時(shí)的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機(jī)的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機(jī)機(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當(dāng)空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時(shí)，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機(jī)角速度，rad/s。

風(fēng)力機(jī)特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過(guò)程中，存在著一點(diǎn)λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點(diǎn)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)，即總存在一個(gè)最佳角速度，使風(fēng)力機(jī)輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，因此發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度等于風(fēng)力機(jī)的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機(jī)模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機(jī)械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機(jī)械功率3 500 W。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時(shí)，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時(shí)，輸出功率會(huì)隨之變化，且存在一個(gè)使輸出功率達(dá)到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機(jī)施加一個(gè)微小擾動(dòng)，然后觀測(cè)風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化情況，通過(guò)比較當(dāng)前功率值和之前功率值的大小來(lái)進(jìn)行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)搜索，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)輸出最大功率。

擾動(dòng)觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動(dòng)方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點(diǎn)，此時(shí)的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個(gè)正向擾動(dòng)Δω使其到達(dá)B點(diǎn)，則B點(diǎn)的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測(cè)到擾動(dòng)后的功率PB>PA，說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)增加一個(gè)角速度變量Δω使其達(dá)到C點(diǎn)，用同樣的道理繼續(xù)保持?jǐn)_動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)處于D點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)給它施加一個(gè)正向擾動(dòng)Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機(jī)輸出功率會(huì)有小幅度波動(dòng)，但對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、Buck型變換電路、PWM信號(hào)發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來(lái)，并設(shè)置合理的參數(shù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。選用的擾動(dòng)觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機(jī)時(shí)刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機(jī)時(shí)刻輸出最大功率。為此，需要時(shí)刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，即尋找一個(gè)最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達(dá)到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對(duì)基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時(shí)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時(shí)輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時(shí)的波形如圖7所示。

當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，對(duì)最大功率MPPT模塊進(jìn)行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，達(dá)到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)輸出的功率迅速增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說(shuō)明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r(shí)跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機(jī)性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對(duì)風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，只有尋求風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線，因此操作比較簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法查找風(fēng)力機(jī)最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時(shí)的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機(jī)輸出特性，確定風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)。采用擾動(dòng)觀察法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)查找風(fēng)力機(jī)的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時(shí)的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴(yán)重，其固有的隨機(jī)性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機(jī)最優(yōu)工作狀態(tài)，對(duì)最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負(fù)載等組成。首先，風(fēng)力機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動(dòng)的電壓，再由濾波電容將變動(dòng)的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過(guò)DC/DC變換器和逆變器對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。

1.1 風(fēng)力機(jī)發(fā)電原理

風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機(jī)部分和發(fā)電機(jī)部分組成。首先，風(fēng)力機(jī)吸收自然界中的風(fēng)能并推動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能；然后，機(jī)械能通過(guò)傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)繼而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機(jī)輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)速的要求都十嚴(yán)格。風(fēng)速過(guò)小，風(fēng)力機(jī)無(wú)法啟動(dòng)；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機(jī)有損壞的危險(xiǎn)。風(fēng)力機(jī)有一個(gè)最低啟動(dòng)風(fēng)速Vmin，用來(lái)克服起動(dòng)初期風(fēng)力機(jī)自身扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的摩擦（一般來(lái)說(shuō)，起動(dòng)風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機(jī)都有一個(gè)規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機(jī)風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機(jī)達(dá)到標(biāo)稱功率輸出時(shí)的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機(jī)的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機(jī)機(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當(dāng)空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時(shí)，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機(jī)角速度，rad/s。

風(fēng)力機(jī)特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過(guò)程中，存在著一點(diǎn)λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點(diǎn)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)，即總存在一個(gè)最佳角速度，使風(fēng)力機(jī)輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，因此發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度等于風(fēng)力機(jī)的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機(jī)模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機(jī)械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機(jī)械功率3 500 W。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時(shí)，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時(shí)，輸出功率會(huì)隨之變化，且存在一個(gè)使輸出功率達(dá)到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機(jī)施加一個(gè)微小擾動(dòng)，然后觀測(cè)風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化情況，通過(guò)比較當(dāng)前功率值和之前功率值的大小來(lái)進(jìn)行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)搜索，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)輸出最大功率。

擾動(dòng)觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動(dòng)方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點(diǎn)，此時(shí)的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個(gè)正向擾動(dòng)Δω使其到達(dá)B點(diǎn)，則B點(diǎn)的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測(cè)到擾動(dòng)后的功率PB>PA，說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)增加一個(gè)角速度變量Δω使其達(dá)到C點(diǎn)，用同樣的道理繼續(xù)保持?jǐn)_動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)處于D點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)給它施加一個(gè)正向擾動(dòng)Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機(jī)輸出功率會(huì)有小幅度波動(dòng)，但對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、Buck型變換電路、PWM信號(hào)發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來(lái)，并設(shè)置合理的參數(shù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。選用的擾動(dòng)觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機(jī)時(shí)刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機(jī)時(shí)刻輸出最大功率。為此，需要時(shí)刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，即尋找一個(gè)最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達(dá)到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對(duì)基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時(shí)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時(shí)輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時(shí)的波形如圖7所示。

當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，對(duì)最大功率MPPT模塊進(jìn)行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，達(dá)到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)輸出的功率迅速增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說(shuō)明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r(shí)跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機(jī)性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對(duì)風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，只有尋求風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線，因此操作比較簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法查找風(fēng)力機(jī)最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時(shí)的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機(jī)輸出特性，確定風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)。采用擾動(dòng)觀察法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)查找風(fēng)力機(jī)的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時(shí)的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴(yán)重，其固有的隨機(jī)性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機(jī)最優(yōu)工作狀態(tài)，對(duì)最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負(fù)載等組成。首先，風(fēng)力機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動(dòng)的電壓，再由濾波電容將變動(dòng)的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過(guò)DC/DC變換器和逆變器對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。

1.1 風(fēng)力機(jī)發(fā)電原理

風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機(jī)部分和發(fā)電機(jī)部分組成。首先，風(fēng)力機(jī)吸收自然界中的風(fēng)能并推動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能；然后，機(jī)械能通過(guò)傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)繼而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機(jī)輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)速的要求都十嚴(yán)格。風(fēng)速過(guò)小，風(fēng)力機(jī)無(wú)法啟動(dòng)；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機(jī)有損壞的危險(xiǎn)。風(fēng)力機(jī)有一個(gè)最低啟動(dòng)風(fēng)速Vmin，用來(lái)克服起動(dòng)初期風(fēng)力機(jī)自身扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的摩擦（一般來(lái)說(shuō)，起動(dòng)風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機(jī)都有一個(gè)規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機(jī)風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機(jī)達(dá)到標(biāo)稱功率輸出時(shí)的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機(jī)的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機(jī)機(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當(dāng)空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時(shí)，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機(jī)角速度，rad/s。

風(fēng)力機(jī)特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過(guò)程中，存在著一點(diǎn)λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點(diǎn)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)力機(jī)的角速度有關(guān)，即總存在一個(gè)最佳角速度，使風(fēng)力機(jī)輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，因此發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度等于風(fēng)力機(jī)的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機(jī)模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機(jī)械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機(jī)械功率3 500 W。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時(shí)，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時(shí)，輸出功率會(huì)隨之變化，且存在一個(gè)使輸出功率達(dá)到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機(jī)施加一個(gè)微小擾動(dòng)，然后觀測(cè)風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化情況，通過(guò)比較當(dāng)前功率值和之前功率值的大小來(lái)進(jìn)行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)搜索，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)輸出最大功率。

擾動(dòng)觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動(dòng)方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點(diǎn)，此時(shí)的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個(gè)正向擾動(dòng)Δω使其到達(dá)B點(diǎn)，則B點(diǎn)的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測(cè)到擾動(dòng)后的功率PB>PA，說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)增加一個(gè)角速度變量Δω使其達(dá)到C點(diǎn)，用同樣的道理繼續(xù)保持?jǐn)_動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)處于D點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)給它施加一個(gè)正向擾動(dòng)Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機(jī)輸出功率會(huì)有小幅度波動(dòng)，但對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、Buck型變換電路、PWM信號(hào)發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來(lái)，并設(shè)置合理的參數(shù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。選用的擾動(dòng)觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機(jī)時(shí)刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機(jī)時(shí)刻輸出最大功率。為此，需要時(shí)刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，即尋找一個(gè)最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達(dá)到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對(duì)基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時(shí)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時(shí)輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時(shí)的波形如圖7所示。

當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，對(duì)最大功率MPPT模塊進(jìn)行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，達(dá)到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)輸出的功率迅速增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說(shuō)明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r(shí)跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機(jī)性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對(duì)風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，只有尋求風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法既不需要測(cè)量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機(jī)精確的功率特性曲線，因此操作比較簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用最大功率跟蹤—擾動(dòng)觀察法查找風(fēng)力機(jī)最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實(shí)現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時(shí)的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。