双馈风力发电机的最大风能追踪技术研究_孟晓凯

双馈风力发电机的最大风能追踪技术研究_孟晓凯

《工业控制计算机》2012年第25卷第9期47

双馈风力发电机的最大风能追踪技术研究*

MaximumWindEnergyTrackingofDoubly－FedWindPowerGenerationSystem

孟晓凯

韩如成

潘

峰（太原科技大学，山西太原030024）

摘

要

如何提高风能的利用率，实现最大功率点追踪（MPPT）成为世界各国研究的热点。变速恒频（VSCF）双馈风力发电机作为当前风力发电的主流机型，对其MPPT研究更具有较强的现实意义。通过对风力机运行特性的分析，结合目前的MPPT控制方式，提出将模糊控制与改进的变步长扰动法结合来实现MPPT，并通过MATLAB仿真验证该策略的有效性及稳定性。

关键词：最大风能追踪，双馈风力发电机，模糊控制，变步长扰动

Abstract

Howtoimprovewindenergyefficiencyandtoachievemaximumpowerpointtracking(MPPT)

hasbecometheworld

researchhotspot．AsVariableSpeedConstantFrequency(VSCF)doublyfedinductiongenerator(DFIG)isthemainstreammodelofwindpower,theMPPTresearchofithasastrongpracticalsignificance．Throughtheanalysisoftheoperationcharacteristicsofwindturbine,combiningwiththecurrentMPPTcontrolmethods,anovelway,whichconnectsfuzzycontrolwithimprovedvariablesteplengthperturbationmethod,isputforwardinthispaper．

Keywords:MPPT,DFIG,fuzzycontrol,variablesteplength

disturbance

变速恒频双馈风力发电机以其最大限度地捕获风能的优点，提高了机组的发电效率，优化了风力机的运行条件，得到了越来越多的应用。由于风能具有随时性、爆发性和不稳定性，当风速发生变化时风力机必定偏离最佳速度，导致风力资源浪费、发电效率大大下降。所以我们需要根据风速来实时调节风力机的转速，在变风速下实现最大风能捕获。

Kw＝λ

w

（8）

式中，ωw为风力机叶片旋转角速度；nw为叶片转速，nw＝

30ν／（πωw）。

2MPPT控制方式

目前对于双馈风力发电机的MPPT控制主要包括有一下三种：最佳叶尖速比法［2］、爬山法［3］和功率反馈法［4］。

1风力机运行特性［1］

根据空气动力学可以知道，风力机的输入功率是：

2．1最佳叶尖速比法

所谓最佳叶尖速比法，就是根据风速的变化规律对风力机的转速进行调节，始终使风力机保持在最佳叶尖速比运行，通常最佳叶尖速比可以通过风力机的设计数据获得。这种最大风能追踪控制算法，要以风力机的转速和风速作为输入量。风速通过风速计测量，而风力机的转速可以通过用编码器测量发电机的

（2）（3）

323

（1）PV＝1ρAν＝1ρπRwν

式中，ρ为空气密度；A为风力机叶片扫掠面积；Rw为叶片的半径；ν为风速。

风力机的输出功率为：

33ωR3

P0＝1ρAνCp＝1ρA（ww）Cp＝KTωw

转速而间接计算得到，该方法的原理如图1所示。

R3

KT＝1ρA（w）Cp

对应的转矩为：

T0＝KTωw

2

（4）

式中，Cp为风能利用系数。

Cp＝

P0P1

（5）

图1

最佳叶尖速比控制框图

由图1可知，该系统根据当前测量的风速值和当前发电机转速值，计算出当前风力机运行状态下的实际叶尖速比，将该叶尖速比与风电系统预知的最佳叶尖速比进行比较，作为控制器输入量，控制器的输出为发电机转速的控制量，通过该控制量对风电系统发电机的转速进行调节即可得到该风速下对应的最优

风能利用系数Cp为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速、叶片转速、叶片直径和桨叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。

叶尖速比λ是风轮叶尖速度与风速之比，即：RωπRwnwλ＝ww＝

ν30νωw＝λν＝Kwν

w

*太原科技大学科技创新项目（20111006）

（6）（7）

转速值，从而获得最大风能。该方法的控制思路简单，但是由于风速具有随机性的特点，且时常会剧烈变化，难以通过风速计测量到精确的风速值，因而对最大风能追踪的效果造成严重影响。

482．2爬山法

所谓爬山法，就是在某一特定风速下，根据风力机转速的变化情况，始终向风力机输出功率增大的方向进行搜索，直到获得该风速下的最大风速为止。这种方法虽然不需要风速的准确测量值，但是该方法的实现需要事先预知风力机的某些参数，而这些参数的准确与否会同样对最大风能追踪的效果造成影响，爬山法的原理框图如图2所示。

双馈风力发电机的最大风能追踪技术研究

测量系统进入跟踪状态时刻发电机的输出功率，把转速给定增加或减少一个步长，并再次测量输出功率，计算输出功率偏差△P和转速偏差△ω，令K＝△P，下一步转速给定值ω（n）＝ω

（n－1）＋Kωstep。

图2爬山法原理图

2．3功率反馈法

所谓功率反馈法，就是在某一风力机特定转速下，通过风力机输出实际功率的反馈值与该转速应该对应的最大功率进行比较，作为控制器的输入量，控制器的输出为发电机转速的控制量，从而不断改变发电机的转速，功率反馈值与此时风速对应的最大功率一致，从而使风力机沿着最大风能曲线运行。该方法需要从风力机大量运行数据中归纳出风力机转速与最大功率的关系，工作量较大，其原理图如图3所示：

图5风速变化时系统跟踪过程

以图5为例说明风速变化时系统的工作状态。双馈发电系统柔性并网后并不立刻向电网输出功率，若起始工作点为A，切换到最大功率点跟踪策略后，转速降低、输出功率增大，工作点向B移动；当风速突然减小时，由于风力机转动惯量较大，转速不会突变，工作点从B下降到C，输出功率突减。此时系统会自动调节转速，寻找功率增大的方向，并最终稳定运行到D点。同样，增大风速的过程中，工作点由D上升到E，转速不变而功率突增，然后系统再追踪功率增大的方向，向F点移动，最后稳定在最大功率输出点。

3．2模糊控制器的设计

因模糊控制主要用于一些数学模型不确定、输入变量多、外界影响因素多的系统［6］。本文的双馈风力发电系统因风速的随机性和系统的耦合性，所以应用模糊控制理论来实现MPPT是

图3

功率反馈法原理框图

较好的选择。

设模糊控制器的输入e＝K（n），第n时刻的输出量为△ω。将K（n）和△ω的实际值量化并映射到模糊集合论域，即：

EK＝邀NB，NS，Z0，PS，PB妖E△ω＝邀NB，NS，Z0，PS，PB妖

3改进的MPPT方法

风速具有随机非线性、时滞、不确定性等特性，加上电机的

内部特性容易随着运行和发热而发生改变，所以建立风力发电系统的精确模型是非常困难的［5］。对此，本文拟采用根据发电机输出P－特性曲线上各点的斜率来确定扰动步长，通过模糊控制对最大功率点进行跟踪，增强搜索的快速性和稳定性。

将其分别划分为7个和9个等级，用离散化的数字集合表示为：

EK＝邀－3，－2，－1，0，1，2，3妖E△ω＝邀－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4妖

3．1MPPT变步长扰动观测法

由图4可知：双馈发电机的P－曲线中，远离最大功率点时，发电机转速变化量对DFIG的输出功率影响较大；在最大功率点附近时，发电机转速变化量△ω对DFIG的输出功率影响较

小，即曲线上各点斜率根据改点离最大功率点的位置变化而变化。对图中某一风速下的输出特性曲线上K1、K2、K3点作切线，可以得到

dPK2dPK3dPK1

，其中K1处斜率为0。＜＜

k1k2k3

EK的隶属度函数和E△ω的隶属度函数为：

图6Ek的隶属度函数0

000

000．50．500

图4最大风能与最大功率曲线

模糊关系R为：

10．500△

0．50．50．50．5△△00．510．5R＝△0000．5△0000．5△0000△0000△

000．50．5

10．500．50．51000

00．50．50．5

△

△

0△

0△

0△

△0．5△1△

《工业控制计算机》2012年第25卷第9期49

跟随指定转速的变化，追踪最佳叶尖速比，并能很快的趋于相对稳定状态，从而实现了最大的风能捕获。

图9是直流母线电压波形，从图中可以看到，在系统从亚同步状态到超同步状态变化时，母线电压出现了小幅波动，但是电压很快又保持了稳定。说明在本文的控制方式下，采用改进的

MPPT方式的有效性。

图7E△ω

的隶属度函数

则得模糊控制器的输出△ω＝K（n）Rωstep，转速的输出ω（n）

＝ω（n－1）＋△ω，通过实时控制转速来对最大功率点进行跟踪。4仿真分析

风力机：风机类型为水平轴，上风向；额定功率为2．5kW；风轮半径2．15m；齿轮箱传动比为6．254；空气密度为1．225kg／m；最大风能利用系数0．4；双馈电机：额定功率2．5kW；额定电压380V，额定频率50Hz；两对级；定子电阻0．435Ω，定子漏感2mH；转子电阻0．816Ω，转子漏感2mH（已归算到定子侧）；互感69．31mH；

仿真时间总长设为3s，0．8s之前系统运行在亚同步状态，在0．8s风速突然从6．3m／s跳到6．75m／s使DFIG运行在同步状态，第1．2s突然跳至7m／s，运行到2s时改变风速让DFIG再次运行在同步状态，第2．4s后降到5m／s亚同步运行。

图10

电机输出功率曲线

从图10可以看出，在风速变化下，电机的输出功率仅仅随着转速的变化而变化，证明了系统能够有效的追踪最大风能，具有较强的稳定性。

图11电机转矩输出曲线

从图11可以看出，电机的输出转矩能较好的跟随转速的变化而改变，且其波动较小，对电机不会造成很大的影响。

参考文献

［1］李建林，许洪华，等．风力发电中的电力电子变流技术［M］．北京：机械

工业出版社，2009，39（6）：3－6

［2］赵佩宏，李建林，鄂春良．变速风力机的最大风能捕获控制策略研究

［J］．电气传动，2009（6）

［3］赵亮，吕剑虹，向文国．采用极值搜索法的风电机组最大风能追踪控

制［J］．2011，35（5）：171－176

［4］马小亮．变速风力发电的最大风能捕获控制办法［J］．电气传动，2011，

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