内容发布更新时间 : 2024/6/18 20:59:46星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

风力发电系统最大功率点跟踪控制方法研究综述

摘要:为充分利用风能,需要捕获风电系统的最大功率点。由于风速的随机性与风电系统的非线性,最大功率点捕获控制比较困难,也是风力发电的热点问题之一。介绍了多种常用的最大功率跟踪方法的原理,说明了各种方法的优、缺点,指出了最大功率点跟踪方法的发展趋势,对最大功率点跟踪方法的选择和研究有一定的参考指导价值。

关键词:风力发电系统;最大功率跟踪;最优叶尖速比法;功率信号反馈法;爬山搜索法

Review on the Method of Tracking the Maximum Power Point

in Wind Power Generation System

Ma-yan、Wang-haiyun

(Electrical Engineering College,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang 830008)

Abstract:In order to utilize the wind power sufficiently,it is necessary to capture the maximum

power point in wind power generation system.Due to the randomness of the wind speed and the nonlinearity of the wind powergeneration system,capturing the maximum power point is very difficult and is also one of the hot issues in wind power generation.In this paper,the principles of several common methods to track the maximum power point were presented;the advantages and disadvantages were discussed;the development trend of the method to track the maximum power point was pointed out.All these had referential and instructive values for the selection and investigation of the maximum power point tracking method.

Key words:wind power generation system;tracking the maximum power point;optimal tip speed ratiomethod;power signal feedback;climbing search method

0 引言

能源是支持经济发展的重要因素和战略资源，人类社会发展的历史与能源开发和利用水平密切相关。进入二十一世纪以来，随着现代工业的飞速发展，人类对已开发能源的利用与日剧增，以煤炭、石油、天然气为主的能源结构造成了大气污染，过度消耗生物能引起生态破坏。人类不但要面对不可再生资源日益枯竭的压力，而且也面临着生态环境的日益恶化。基于上述原因，对可再生能源的开发和利用也就成为了迫在眉睫的问题之一。在目前众多的可再生能源中，风能具有分布广、储量大、可持续利用，而且无污染的特点，可谓是真正的绿色能源，是最具大规模开发利用前景的新能源之一。近年来，对风能的开发利用发展迅速，已逐步步入世界各国的视野范围之内，且成为了世界各国关注的焦点[1]。

风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源，风能的获取不仅与风力发电机的机械特性有关，还与其采用的控制方法有关。在某一风机转速情况下，风速越大时风力机的输出功率越大，而对某一风速而言，总有一最大功率点存在。只有当风力发电机工作在最佳叶尖速比时，才能输出最大功率。好的控制方法可使风轮的转速迅速跟踪风速变化，使风力发电机始终保持在最佳叶尖速比上运行，从而最大限度地获得风能。要保证最大限度地将捕获到的

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风能转化为电能，目前一般采用最大功率点追踪控制(MPPT)控制策略。最大功率点跟踪(MPPT)是在可变风速条件下提高风力机能量转换效率的有效方法[2]。

变速风电系统目前一般采用最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)的控制策略。本文对常用的多种MPPT方法进行了概括性的总结和介绍，分析了各种方法的优、缺点，对MPPT方法的选择和研究有一定的参考指导价值。

1 风力发电机的空气动力学特性

根据贝兹理论可知，当风速小于额定风速时，风力机产生的机械功率如下式：

P?1/2?SCp(?,?)v3

式中：

?—空气密度；S—风力机桨叶扫掠面积；Cp—风能转换系数，又称功率系数；v—风速。

在风速v一定的情况下,发电机获得的输入机械功率P只取决于风能转换系数Cp，而Cp又是叶尖速比?和桨叶节距角?的函数，叶尖速比?是风轮叶尖线速度与风速之比，也即：

???R/v

式中?—风轮旋转的机械角速度；R—叶片半径。

从风力机的输出功率口表达式可以知道，风机从风中吸收的功率P与功率系数Cp和风速v的立方成正比。当?一定时，Cp与?呈现抛物线关系，图1为Cp与?之间的关系曲线。图中凸点对应最大风能捕获点，此处?称为最佳叶尖速比?opt。此时Cp达到最大值

Cpmax。由于风的随机性，风速经常变化，使得Cp经常不能工作在最大点上，常常处于低

效状态[3]。

对风能系统来说，根据风速变化对发电机进行变速控制，让Cp处于或接近于最大值

Cpmax运行，使风力机捕获到最大风能，从而提高风电系统的效率。因此，最大风能追踪的

控制方法成为提高风力发电效率的关键因素之一[4]。

Cp0.5Cpmax0.40.30.20.105?opt1015?

图 1 风力机Cp与?曲线

2 最大功率点追踪方法

目前最大功率捕捉方法主要有最佳叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山搜索法、三点比

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较法、模糊控制法、占空比扰动法等[5]。

2.1最佳叶尖速比法(Tip Speed Ratio Control)

最佳叶尖速比法(TSR)是当风速变化时要维持风力机的叶尖速比?始终保持在最佳值这样在任何风速下风力机对风能的利用率都最大。?opt处，?opt一般是通过计算或实验获得，

图2所示为TSR的控制原理框图，它将风速v和风力机转速?的测量值作为控制系统的输入信号，通过计算得出此时的实际叶尖速比?，然后与风力机的最佳叶尖速比?opt相比较，所得误差值送入控制器，控制器控制逆变器的输出来调节风机转速，从而保证叶尖速比最优。

叶尖速比参考值?opt+?-?控制器逆变器风能系统输出要求风机转速?

风速v???R/v图 2 TSR控制原理框图

该控制方法的优点：它是MPPT最直接实现思想，物理概念明确，原理简单，只要1个PI控制器即可满足风力机的控制要求，容易实现；在风速测量精确的前提下，具有良好的准确性和反应速度。

该控制方法的缺点：需要测量风速、转速，而风速难以准确测得，影响控制精度；还需要知道图1的风力机最佳叶尖速比曲线，而最佳叶尖速比由风机厂家的实验数据求得，它与风力机和发电机的特性以及所采用的变频器拓扑结构结构等环境因素有关，算法的移植比较困难；由于风速的随机性和不确定性，会引起风力机输出功率的剧烈波动[6]。

2.2功率信号反馈法(Power Signal Feedback Control)

功率信号反馈(PSF)的控制原理：测量出风力机的转速?，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率Pmax，并将它作为风力机的输出功率给定值Pref，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现最大功率点的跟踪。图3为其控制原理图[7]。

最最v最最最最最最最最最最最最最最最最Pref+?-最最最最最最最最最最P最最最最?最最最最

图 3 PSF控制原理图

该控制算方法的优点：不需要知道确切的风力机特性，也不需要测风装置来测量风速，能够有效地避免风力机输出功率的波动，控制原理比较简单，具有较好的效果和更好的实用

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