風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)共振規(guī)避控制策略研究

■ 韓莉婭 楊建國(guó)徐蘭琴 趙輝 李學(xué)

云南品森科技有限公司

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)共振規(guī)避控制策略研究

■ 韓莉婭 楊建國(guó)*徐蘭琴 趙輝 李學(xué)

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通過(guò)使用人工風(fēng)洞模擬不同等級(jí)的風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)較為強(qiáng)烈，并從充、放電控制角度提出一種快速通過(guò)系統(tǒng)共振頻率的解決方案。通過(guò)該控制方法的應(yīng)用能夠縮短因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振的時(shí)間，減小因共振對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

風(fēng)光互補(bǔ)；風(fēng)力發(fā)電；共振；PWM調(diào)制；控制器

0　引言

隨著可再生能源的發(fā)展和人們對(duì)居住環(huán)境的逐漸重視，清潔能源的使用與需求在不斷增加，世界各國(guó)都出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)和支持清潔能源的發(fā)展。我國(guó)政府對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用也給予了高度重視，積極引導(dǎo)科研院所和企業(yè)進(jìn)行研究創(chuàng)新。目前全國(guó)各地在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中都在積極推動(dòng)太陽(yáng)能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、大型風(fēng)力發(fā)電站等項(xiàng)目實(shí)施。

在風(fēng)光互補(bǔ)路燈和大型風(fēng)力發(fā)電站工作過(guò)程中，當(dāng)在一定風(fēng)速和功率跟蹤的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)會(huì)出現(xiàn)安裝支架或路燈燈桿搖晃幅度較大的問(wèn)題，即系統(tǒng)發(fā)生共振［1］，此時(shí)系統(tǒng)工作存在很大的風(fēng)險(xiǎn)性。因此，人們主要從系統(tǒng)安裝角度出發(fā)尋求解決之道，如通過(guò)加大風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝基座尺寸和重量、加深安裝基礎(chǔ)深度，都可改善系統(tǒng)工作搖晃的問(wèn)題。但在風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)力發(fā)電戶用系統(tǒng)、小型離并網(wǎng)系統(tǒng)等中小型系統(tǒng)中，從安裝角度考慮減小安裝支架搖晃問(wèn)題并不是最經(jīng)濟(jì)的方法。

1　控制原理與研究方法

針對(duì)上述提出的問(wèn)題，我們從控制角度出發(fā)，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中的葉片轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)共振頻率接近和相同的時(shí)間盡量短，從而避免因系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間共振造成的安裝連接器件松動(dòng)，降低系統(tǒng)故障率，減少安裝支架或燈桿的維護(hù)次數(shù)，降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)后期使用與維護(hù)成本。

1.1控制電路

如圖1所示，電路由整流濾波電路、電壓電流數(shù)據(jù)采樣電路、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、中央處理器（MCU）、開(kāi)關(guān)與Buck電壓變換電路等主要部分組成。正常工作情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)整流濾波電路后變?yōu)橹绷麟?，之后由MCU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制Buck電路中開(kāi)關(guān)MOSFET管工作實(shí)現(xiàn)電壓及最大功率點(diǎn)跟蹤功能，Buck電路輸出端直接連接到蓄電池正、負(fù)極給蓄電池充電，通過(guò)對(duì)MCU編程便能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和快速通過(guò)共振頻率區(qū)的目的。

圖1　電路原理圖

1.2控制方式

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法［2］主要有最優(yōu)葉尖速比法、功率信號(hào)反饋法、爬山搜索法、三點(diǎn)比較法、模糊邏輯搜索法、占空比擾動(dòng)法。本實(shí)驗(yàn)采用爬山搜索法（也稱擾動(dòng)觀察法）進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，以簡(jiǎn)化控制電路，降低電路與控制程序的復(fù)雜程度，其具體控制方法為：系統(tǒng)上電完成初始化啟動(dòng)后，便啟動(dòng)低頻最大功率點(diǎn)跟蹤函數(shù)開(kāi)始搜尋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)；隨著風(fēng)速加大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，輸出電壓升高，輸出功率變大，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率升高到一特定值（如圖2中危險(xiǎn)頻率下臨界點(diǎn)fdL）并且風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，MCU啟動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速提升控制程序，此時(shí)控制器不再跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率點(diǎn)，而是使用脈寬調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路的占空比，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度快速增加至危險(xiǎn)頻率控制區(qū)上臨界fdH以上，然后MCU啟動(dòng)高頻最大功率點(diǎn)跟蹤函數(shù)進(jìn)行高轉(zhuǎn)速時(shí)的最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。

圖2　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速提升控制脈沖

如圖3所示，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)降低，風(fēng)機(jī)功率下降，高速最大功率點(diǎn)跟蹤運(yùn)算難以維持時(shí)，MCU啟動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速降低控制程序，使得風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速快速降低，從而快速通過(guò)系統(tǒng)的危險(xiǎn)頻率。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于危險(xiǎn)頻率控制區(qū)下臨界點(diǎn)后，MCU啟動(dòng)低頻最大功率點(diǎn)跟蹤函數(shù)進(jìn)行低速時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

圖3　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速降低控制脈沖

1.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：300 W垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、12 V 100 AH蓄電池、震動(dòng)傳感器ND-3、示波器MSO1104Z、人工風(fēng)洞、數(shù)字風(fēng)速儀VC816、控制電路板、20 W LED燈、萬(wàn)用表。

首先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝固定穩(wěn)定，然后將振動(dòng)傳感器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝支架上，連接好相關(guān)電路并可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為準(zhǔn)確對(duì)比兩種方案的差異性，除控制程序不同外，其他硬件設(shè)備均相同。

為避免因蓄電池在充電過(guò)程中被充滿而影響控制器判斷，控制器輸出端連接1個(gè)20 W的LED燈負(fù)載，以保持蓄電池始終處于未充滿狀態(tài)。

1.3.1采用普通最大功率跟蹤算法控制

啟動(dòng)風(fēng)洞開(kāi)關(guān)，并逐步增加風(fēng)速，記錄不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)電氣參數(shù)及安裝支架抖動(dòng)情況。圖4為普通最大功率跟蹤情況下系統(tǒng)發(fā)生共振的信號(hào)圖。

圖4　普通MPPT風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)波形圖

1.3.2共振規(guī)避最大功率跟蹤快速通過(guò)危險(xiǎn)頻率算法控制

所有外部條件和實(shí)驗(yàn)方式與采用普通最大功率跟蹤算法控制相同，僅控制算法有所不同。

使用振動(dòng)傳感器和示波器觀察震動(dòng)情況，采用快速通過(guò)危險(xiǎn)頻率方式和采用普通最大功率追蹤控制方式的振動(dòng)波形，如圖5所示。

圖5　共振規(guī)避MPPT風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)波形圖

1.3.3對(duì)比分析

從測(cè)試波形可看出，采用普通最大功率跟蹤算法控制程序時(shí)，在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)共振頻率時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝支架振動(dòng)較為強(qiáng)烈。而采用共振規(guī)避最大功率跟蹤快速通過(guò)危險(xiǎn)頻率算法控制時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝支架振動(dòng)情況比較平穩(wěn)，無(wú)特別明顯的振動(dòng)波形出現(xiàn)。

2　結(jié)論

通過(guò)測(cè)試波形可知，共振規(guī)避最大功率跟蹤快速通過(guò)危險(xiǎn)頻率算法能夠有效減輕風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)造成的共振問(wèn)題，從而降低系統(tǒng)故障率，減少后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，在中小系統(tǒng)應(yīng)用中有較好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。但由于其在通過(guò)危險(xiǎn)頻率期間存在最大功率點(diǎn)跟蹤功能失效的情況，所以在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略上有待進(jìn)一步研究引入快速通過(guò)危險(xiǎn)頻率功能所帶來(lái)的成本降低和電能損失之間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。

［1］ 張永明， 林釣斌， 孫斌， 等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)葉系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試及研究［J］. 機(jī)械制造， 2013， 51（582）: 41-45.

［2］ 程啟明， 程尹曼， 汪明媚， 等. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤方法的綜述［J］. 華東電力， 2010， 38（9）: 1393-1399.

2015-07-26

楊建國(guó)（1986—），男，本科，主要從事風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)應(yīng)用、自動(dòng)化控制方面的研究。547362564@qq.com