基于小型风力发电机组的最大功率跟踪方法研究

陈丽颖，刘彦辉，张煜丽

(1.绥化学院，黑龙江绥化152061;2.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨150027)

风能作为发展最为迅速的可再生能源，已经成为应对能源危机和环境污染的重要手段，是当前国内外研究的重点和热点［1－2］。风力发电技术，因其政策和技术上的优势，成为可再生能源发电中发展最为迅速的技术之一［3－4］。小型风力发电机作为可再生资源被广泛地应用，并且其安装方便、结构简单，甚至可以安装在家中。但是目前已有的小型风力发电机的发电效率低。为解决这一问题，大容量风力发电机采用一种能自动改变螺旋式叶片角度的控制系统，这种控制系统可以有效地提高风力发电机的功率因数［5］，从而提高风能的利用。通常情况下，小型风力发电机安装这种控制系统是不可能的。针对以上情况，风力发电机的叶片结构可以随风力条件而改变浆距角的方向。因此，通过对传统的小型风力发电机的瞬时特性与具有被动改变叶片方向结构的小型风力发电机进行对比，笔者提出了最大功率跟踪点的控制方法。此外，由于小型风力发电机输出的电压很小，所以在两台或者多台风力发电机并联的情况下，必须考虑最大功率输出的问题。根据风速变化，对各种风速下最大功率点进行研究。这种研究分别针对两种情况，即大容量和小容量风力发电机的最大功率点。前者通过协调风力发电机的转速或者通过学习非线性处理的方法［6－8］，例如模糊控制规则、智能记忆等来控制风力发电机输出的功率，尽量使风能利用效率提高。而小型风力发电机的惯性小，输出的电压很容易随着风速的变化而不断地大幅度变化。由于这些原因，上述控制方法不适合小型风力发电机。这种结构简单的风力发电机是通过调整直流侧的直流升压斩波器的脉冲宽度的占空比，再通过二级管进入直流侧，转换成风力发电机的交流电压［9－12］。无论风速怎样变化，通过程序可以控制占空比;但是当风速不断地发生不规则变化时，最大功率点的跟踪是不能实现的。所以，当两台或者多台风力发电机并联时需要将风速固定不变。根据这一特征，最大功率跟踪控制方法能够使风力发电机快速调节到与最大功率点相对应的风速。

1 最大功率跟踪控制方法

1.1 小型风力发电机的瞬态特征

以Z－500L风力发电机为例，小型风力发电机具有根据风速方向的变化而改变浆距角方向的结构，同时具有随着风速的变化输出的电压很复杂的特征。Z－500L风力发电机输出电压如图1所示。

从图1可以看出，在某一时刻小型风力发电机输出的电压不固定，因此有必要对最大功率输出点进行研究。图2为利用楼群建筑中洞口的风速不同，风力发电机输出的电压图形。通过图形可知，测量结果有两种模式:一、输出的电压增长非常缓慢;二、输出的电压增长非常迅速。

图3描绘了传统的风力发电机(以Aerogen为例)的输出电压的曲线图。对比图2和图3可知，传统的小型风力发电机输出电压在图2中显示的迅速增长模式是不存在的。

图1 Z－500L不同时间不同风速输出的电压

图2 风力发电机在风洞中不同风速下非负载情况下的输出电压

图3 传统的小型风力发电机输出电压图形(以Aerogen为例)

图4 风速为8.0m·s－1情况下输出电压随负载变化情况

图5 区分小型风力发电机两种电压模式的方法

从图2和图4可以看出，自动控制叶片式小型风力发电机输出电压变化模式既不受负载影响，也不受风速的影响。根据这种特征，本文提出一种最大功率跟踪控制方法。

1.2 小型风力发电机的MPPT控制方法

在考虑负载和风速的条件下，小型风力发电机的最大功率在模式二中可以被有效获得。如图5中的模式二，当风速V(n)超过切入风速V切时，输出电压发生变化，得到

其中，β(n)=ΔV(n)/ΔT(n)，ΔV(n)是指 T(n+1)和 T(n)之间的电压差，即 ΔT(n)=T(n+1)–T(n)，ΔT(n)是指MPPT的采样时间。此种控制是通过公式以及控制程序协调输出的电压和电流值，从而使功率达到最大值，再测出最大值情况下的风速值。最大功率理论公式为

式(2)中的kp=(1/2)ρAη，ρ、A、η分别指空气密度、风与叶片接触的有效面积以及功率转换因数。利用参数 ρ=1.25kg·m－2，小型风力发电机Z －500L 中A=1.07m2，叶片直径参数R=1.17m，效率 η =30%，测得kp=0.201。可通过实际操作进行验证，根据式(2)计算得出的最大功率值与利用Z－500L实验中获得的最大功率是否相同。图6(a)为风洞中不同风速下测得的输出电流和电压，从图6(b)中可以看出最大功率能够被获得。

图6 通过实验证实MPPT控制方法的有效性

计算最大功率点对应的电压和电流，需要考虑电动势系数Kb和叶尖速比λ这两个参数，在设计风力发电机和它的叶片时是最重要的参数。叶尖速比为

其中，ω是风力发电机转轴的角速度，n是转动的数量。λ通常被设计成λop，即最大功率点时所对应的叶尖速比，该系数表示风机的最大功率转换效率。当风力发电机处于最大功率点时，设叶片的转动速度为nop，风力发电机转轴的转动速度为Nop，此时获得的最大的电动势电压为

由于螺旋叶片的转轴直接与风力发电机的转轴相连，所以nop=Nop，则λop可表示为

1.3 证实MPPT控制方法的有效性

在本实验中风力发电机的参数λop和kb值分别被设计为16和1.392V/rps。ζ和ζ'计算值分别为3.03和0.06。

从图7中各种风速下的最佳电压与电流可以看出，理论值与实验所得的数据基本一致，从而验证了MPPT控制方法的有效性。

1.4 MPPT的控制程序

基于上述情况，小型自动控制叶片式风力发电机获得最大的功率前提是考虑式(1)、(6)、(7)的情况，Z－500L的设计中ζ和ζ'的值分别为3.03和0.06，实验中此值也一致。此外，通过辨别(1)式，计算出最大功率值ζ'。图8是MPPT控制方法的执行程序，通过检测输出的电压V(n)、输出电流I(n)和某时刻的风速v(n)时，可以检测出v(n)是否大于v切，当检测出风速比切入风速大时，MPPT控制程序开始执行，首先是按照式(1)判别电压在采样时间的偏差与时间的微分的正负。当结果为正时，说明此时输出电压处于模式二中，MPPT控制程序开始执行，执行程序如图9所示。通过式(2)和(6)，在n时刻风速为v(n)的情况下，可计算出最大功率Pmax(n)和最佳电压Vop(n)，也计算出最佳的功率以及和输出电压相应的电流。为了使风力发电机输出的电流I(n)与计算出的Iop(n)一致，最佳电流控制器产生了一个参考电压V*op(n)，然后最佳电压控制器通过与主控系统相连的脉冲宽度直流斩波器来调整风力发电机的输出电压，最终使输出电压与V*op(n)一致。由于这种方法可以快速获得无震荡的最大功率，所以比较适合用于多个风力发电机并联的情况。

图7 最佳功率状态下的电压、电流理论值与实验值的测量

图8 MPPT执行程序

图9 MPPPT执行控制系统

图10 风速为11m·s－1时两种模式及输出功率曲线图

2 证实MPPT控制的有效性

2.1 通过辨别程序模式验证MPPT方法的有效性

首先，在模式二中利用MPPT控制方法获得的最大功率。由图10表明，风力发电机进入模式二中获得的功率占据了图中所有的面积。在程序执行过程中，由判别(1)式为正值时进入模式二后，风力发电机会迅速启动程序，获得最大功率。如图4，在模式一中风力发电机的输出电压会随着负载的增加而逐渐减小。这种特征意味着在模式一中若使输出电压具有快速瞬态响应特性，风力发电机必须保持在空载的状态下才能获得。将图9中的开关器件Tr1关闭，系统处于非负载状态直到开始辨别(1)式被满足，模式二检测开始，最大功率跟踪控制程序开始执行并很快获得最大功率。从图11(a)和(b)对比可知，MPPT程序执行开始后，风力发电机可以很快地获得比较大的电压，由此可以获得相对应的最大功率。

2.2 验证通过MPPT控制方法获得的功率的正确性

图12为风速从零开始增长到一定速度时输出的电压图。大约经过18s时，风速达到固定的值7.8m·s－1。在经过12秒时，额定功率产生最大功率大约95W，它近似等于从式(2)中获得的理论值。接下来，利用模拟检测当风速发生改变时最大功率达到的时间。图13表明，风速从5m·s－1变化到6m·s－1时的功率瞬态特征。风速为5m·s－1时输出的最大功率约为24W，风速为6m·s－1时输出的最大功率大约为45W。这表明无论在何种风速下执行此规则都能获得一个最大功率，MPPT控制规则获得的最大功率与风力发电机在不同风速下获得的功率一致，MPPT的控制方法有效。

图11 带有MPPT程序和不带有MPPT程序控制的输出电压的对比

图12 风速从零逐渐增大时获得的输出功率图

图13 风速迅速变化时的输出功率

3 结语

带有自动控制叶片式的小型风力发电机能够随着风速变化而输出不同的电压，而这种输出电压有两种模式。通过研究对比，在带有负载的情况下，最大功率只能在第二种模式中获得。两种模式的变化点会随着风速的不同而发生变化，因此本文提出一种基于辨别两种模式的MPPT控制方法。该方法可以强制性地使输出功率汇集到最大功率点，从而找到最佳输出电流。而此时的最佳电流是基于MPPT程序控制中的输出电压与输出功率;此时的输出电压正比于风速，输出功率正比于风速的立方。由于MPPT控制规则能够很快地捕获最大功率，所以可将其用于多并联的小型风力发电机组中。

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