一种改进型小型风力发电系统MPPT控制方法的研究

李金喜，贲礼进，叶理想

一种改进型小型风力发电系统MPPT控制方法的研究

李金喜1，贲礼进2，叶理想1

(1.江苏工程职业技术学院，江苏 南通 221006；2.江苏工程职业技术学院 江苏省风光互补发电中心，江苏 南通 221006)

提出了一种易于实现的自适应变步长MPPT控制策略，通过实验验证该策略的有效性。试验结果表明, 该控制策略可使小型风力发电系统快速、准确、稳定地跟踪到最大功率点，能有效增加小型风力发电机的发电量，提高小型风力机的发电效率。

风力发电；最大风能捕获；MPPT；控制方法

0 引言

风力发电技术因其无污染、可再生，在国内外受到广泛的关注。目前，大型风力发电项目技术已经比较成熟，而对于一些可在较大空间范围内灵活使用的户用、船用及其他离网型小型风力发电机，由于其风能利用系数较低，以致发电效率及性价比偏低，从而限制了小型风力发电系统的普及。研究表明，获取最大功率是风电系统在同样的风速下输出更多电能的关键，如果控制小型风力发电系统一直运行在最大功率点,则可有效提高该系统的年发电量。

为了提高小型风电系统的能量转换效率，本文提出一种快速MPPT控制算法，设计、制作了相应的控制器，并以小功率船用风力发电系统为试验对象，搭建了一套配有监控系统的小型离网型风力发电试验系统，验证了该算法的有效性。

1 风力机功率输出特性

风力机是一种将风能转换成机械能的能量转换装置，风力机利用风能的能力直接决定了风力发电系统的发电效率。而风能大小与气流密度、通过的面积及气流速度的立方成正比，风力机实际能得到的有用功率输出为[1-2]：

(1)

其中：Pwt为风力机获取的风能量，W；ρ为风力机所在环境空气密度,kg/m3；v为外界自然风的速度,m/s；S为风力机叶轮的截面积,m2；CP为风力机的实际风能利用系数。

由贝兹定理可知，风能的利用系数CP与风力机的叶尖速比有关。叶尖速比λ为风轮叶尖线速度与风速之比[3]，即：

(2)

其中：ω为风力机转速，r/min；R为风力机叶轮的半径,m。Cp(λ)与λ的关系如图1所示。对于定桨矩风力机，风能转换效率取决于风力机固有的叶尖速比λ。由公式(2)可知，当风力机的转速保持在一个最佳值时，若叶尖速比λ达到其最优值λopt，此时在该风速下转换效率最高，风力机捕捉的风能功率最大，可输出最大机械功率。不同风速下，通过控制风机使其运转在合适的转速，可实现风力机在最佳叶尖速比λopt下运转，使CP在很大的风速变化范围内均能保持最大值，从而实现MPPT的功能，使风能得到最大程度的利用。

图1 风机特性Cp-λ曲线

2 MPPT控制策略

2.1 MPPT控制原理

小型风力发电系统中，所用风力机多为永磁同步发电机，系统电路原理图如图2所示，主要包括永磁同步发电机、三相不可控整流器、DC-DC直流变换器、负载等。

在风力发电系统中，直流变换器既可起到风力发电机与负载之间的电压匹配作用，也能通过改变直流电压变换器的输入电阻，使发电机处于最大输出电功率状态。通过调节占空比D可改变直流变换器的输入电阻，改变发电机的负载等效电阻，进而改变发电机的负载特性。当占空比增大时，等效阻抗变大，发电机等效负载变大，转速下降；当占空比减小时，等效阻抗变小，发电机负载变小，转速上升。通过直接调整直流变换器的占空比D，可实现与直接调节风力发电机和风力机转速相同的作用。因此可以通过调节直流变换器的占空比来改变发电机的负载特性和输出功率，从而实现MPPT控制策略。

图2 系统电路原理图

2.2 自适应变步长扰动观察法的提出

风力发电机最大功率捕捉的方法有3种[4]：叶尖速比控制、功率信号反馈、功率信号扰动控制。功率信号扰动控制法，因与风轮的空气动力学特性没有关系,通用性较好且实现较容易,是一种被普遍采用的MPPT控制算法。

传统的功率信号扰动控制法，每隔一定的时间用方向一致的定长步长来改变风力发电系统的输出，并观测风力发电机输出功率的变化，以此改变扰动的方向。该控制算法易于硬件实现，但该方法的跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾。

对风力发电机输出功率的情况进行分析可知，当风力发电机输出功率变化ΔP≥0时，直流变换器占空比的变化ΔD始终与风力发电机转速差Δω的变化方向相反；当ΔP<0时，ΔD的变化始终与Δω的变化规律保持一致。因此本文提出一种通过测量风力发电机输出交流电源的频率的变化从而确定风力机的转速差Δω，由Δω和ΔP的极性确定功率扰动方向，而由ΔP的大小确定扰动幅度的一种自适应变步长扰动观察法，实现MPPT控制功能。自适应变步长扰动观察法原理框图如图3所示。

图3 自适应变步长扰动观察法原理框图

2.3 自适应变步长扰动观察法流程图

以小型风力发电系统的输出功率为系统目标函数，取占空比D为控制变量。依据两次采样时刻风力发电机输出功率变化量ΔP及风力机转速的变化量Δω和上一时刻占空比步长Dk-1，决定下一时刻占空比步长Dk。

Dk=Dk-1+Sign(Pk-Pk-1)×

Sign(ωk-ωk-1)×|Dk-1-Dk-2|×ε.

(3)

其中：Dk、Dk-1、Dk-2分别为k、k-1、k-2时刻的占空比；Pk、Pk-1分别为k、k-1时刻风力发电机的输出功率；ωk、ωk-1分别为k、k-1时刻风力机的转速；ε为占空比扰动系数。则k时刻和k-1时刻风力发电机的输出功率的变化量ΔP=Pk-Pk-1；k和k-1时刻风力机转速的变化量Δω=ωk-ωk-1。另规定，当ΔP≥0时，Sign(Pk-Pk-1)=1；当ΔP<0时，Sign(Pk-Pk-1)=-1；当Δω>0时，Sign(ωk-ωk-1)=1；当Δω<0时，Sign(ωk-ωk-1)=-1。故式(3)中Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)只能为1或-1。由前面分析可知，当Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)=1时，风力机的实际工作点在最大功率点左侧；当Sign(Pk-Pk-1)×Sign(ωk-ωk-1)=-1时，风力机的实际工作点在最大功率点右侧。ε用来调节直流变换器的PWM触发脉冲占空比的变化速率，扰动系数ε选得越大，则PWM触发脉冲占空比的变化速率就越快，相应地对最大功率点的跟踪速度就越快，但过大的ε值会引起风力机输出功率的大幅度波动，对系统稳定性不利；而过小的ε值会造成系统的动态响应性变差。本文依据ΔP与Pk的比值在线动态调整ε的大小。根据以上分析，得到的变步长扰动观察法流程如图4所示。其中，ωk为当前时刻风力机的转速，Uk为风力发电机输出电压，Ik为风力发电机输出电流，θ为改变步长的阀值。当ΔP<θ时，占空比D保持不变，若ΔP≥θ时，在线调整D的大小。

图4 自适应变步长扰动观察法流程图

3 实验验证

基于上述研究，搭建了一套离网型小型风力发电系统，如图5所示。主要包括风力机、模拟风场(由鼓风机及变频器构成)、蓄电池组、MPPT控制器及监控系统。采用一台额定功率为400 W的三相交流永磁同步发电机，系统主要由MPPT控制器、风力机转速检测模块、电压检测模块、电流检测模块、直流变换器模块等组成。MPPT控制器主控芯片采用MICROCHIP公司的PIC16F877。

图6记录了当模拟风场设定的风速在不同阶段时风力发电系统的运行状况。从实验结果可以看出：随着风速的变化，系统响应速度较快，能快速实现跟踪功能；而在风速稳定的情况下，由于占空比的步长较小，振荡较小，且基本上能做到短时间内消除振荡。

图5 小型风力发电实验系统

4 结论

本文采用自适应变步长扰动观察算法对小型风力机最大功率跟踪进行了研究，并验证了此种追踪方法的可行性。实验结果表明,自适应变步长扰动观察法具有良好的动态性能和稳态性能,可有效提高小型发

电系统的发电效率。

图6 实验监控界面

[1] 张玉华,李振凯.基于模糊控制的风力发电系统变桨距控制器的设计[J].现代电力,2007,24(6):58-61.

[2] Miland H, Glockner R, Taylor P. Load control of a wind-hydrogen stand-alone power system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(9):1215-1235.

[3] Pan Ching-Tsai, Juan Yu-Ling.A novel sensor-less MPPT controller for a high-efficiency micro-scale wind power generation system[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(1):207-216.

[4] 王群京,王涛,李国丽.小型风光互补MPPT控制的研究[J].电气传动,2009,39(5):40-43.

MPPT Strategy Based on Improved Control Method for Small Wind Power System

LI Jin-xi1, BEN Li-jin2, YE Li-xiang1

(1.Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 221006, China; 2.Jiangsu R&D Center of Wind-solar Hybrid Power Supply Engineering Technology, Nantong 221006, China)

A type of adaptive variable step size MPPT control method is proposed. An MPPT controller is designed and a stand-alone wind energy generation system is established. The experiment results indicate that the method can ensure wind power system to realize MPPT rapidly，steadily and accurately，and improve the efficiency of the small wind power generation system effectively.

wind power; maximal wind energy capture; MPPT； variable step size

1672- 6413(2015)06- 0145- 03

2015- 06- 18；

2015- 11- 15

李金喜(1981-)，男，江苏铜山人，讲师，硕士，研究方向：测控技术。

TK83

A

江苏工程职业技术学院院级课题(FYKY/2013/5)；江苏省高等学校大学生实践创新训练计划(201310958004Y)