风力发电系统最大功率的捕获方法、系统及其实现方法与流程

本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种永磁同步风力发电机系统最大功率的捕获方法、捕获系统及该系统的实现方法。

背景技术：

煤炭、石油、天然气等是应用最为广泛的能源，它们都是不可再生的化石资源，而风能是一种经济、环境友好型、且储量巨大的可再生资源，因此世界各国都在加紧对风能的开发和利用。风力发电是目前世界上利用风能的主要形式，由于风力发电具有良好的前景，开发利用风力资源对于缓解能源短缺、保护生态环境具有重要意义，而且风力发电系统具有占地面积小、可用性广泛、经济竞争力等优势。在风力发电系统中的风速、风向以及风的强度等都具有随机性、瞬变性，因此为了保证风力发电系统的持续最大功率发电，发明一种能够自动调整风轮机转速进而捕获风力发电的最大功率点，对风力发电系统具有重大意义。

目前变速风电系统一般采用最大功率点追踪控制策略。因此，为了让永磁同步风力发电机最大限度地获得风能，许多学者对此进行了研究，目前主要提出了以下几种最大功率点追踪的方法：最优叶尖速比法、功率信号反馈法、直线扰动法、爬山搜索法等等。

(a)最优叶尖速比法需要通过测量风速和转速才能获得，还需要知道风力机最佳叶尖速比曲线，这与风力机和发电机的特性，以及采用的变频器拓扑结构等环境因素有关，因此为其实际应用带来了一定的困难。

(b)功率信号反馈法减少了风速测量环节，但需要获得最大功率和转速的特性曲线，即事先要知道不同转速所对应的最佳叶尖速比的值，同时转速的测量还需要专门的测量装置，增加了系统的成本。

(c)直线扰动法的最大功率逼近直线离实际的最大功率点有误差，同时，需要测量不同风速下最大功率点的坐标，不同的风力机和不同负载时，所获得的最大功率逼近直线也不相同。

(d)爬山搜索法既不需要测风速也不需要测转速，采用比较容易测量的整流器输出端的直流电压和电流来计算风机输出功率大小，因此该控制方法比较容易实现。但搜索到最大功率点时，系统并未停止扰动，会在最大功率点附近来回扰动，这造成了功率的浪费。若减小扰动量功率浪费会变小，但这又影响了最大功率点的跟踪速度，增大扰动量跟踪速度会提高，但又增大了最大功率点附近的功率损失。

除此之外，目前关于风电最大功率捕获的研究，仿真结果往往难以直接移植到实际控制站中。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种永磁同步风力发电机系统风力发电系统最大功率的捕获方法、捕获系统及该系统的实现方法，在传统爬山法的基础上进行了改进，从而提高了风电最大功率点的跟踪速度，减小了扰动功率的浪费，能够解决传统的最优叶尖速比法、功率信号反馈法等方法在实际应用中实现困难、成本高等问题。

本发明的捕获方法是这样实现的：一种风力发电系统最大功率的捕获方法，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、sepic斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电为提供给sepci斩波器，使sepic斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；通过一最大功率点跟踪控制器连接所述sepic斩波器的s开关，以通过控制sepic斩波器的s开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

进一步的，所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制s开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制s开关的占空比加大。

进一步的，测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率p(n)和p(n+1)，若两个输出功率的差值处于很小的范围，则风轮机转速的爬山速度δω应加大，扰动值加大，则控制s开关的占空比加大；两个输出功率的差值处于较大的范围时，风轮机转速的爬山速度δω变小，扰动值变小，则控制s开关的占空比减小，直到达到最大功率点时停止扰动。

本发明的捕获系统是这样实现的：一种风力发电系统最大功率的捕获系统，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、sepic斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电为提供给sepci斩波器，使sepic斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；还包括一最大功率点跟踪控制器，该最大功率点跟踪控制器连接所述sepic斩波器的s开关，以通过控制sepic斩波器的s开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

进一步的，所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制s开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制s开关的占空比加大。

进一步的，控制sepic斩波器的s开关的占空比的过程是：测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率p(n)和p(n+1)，若两个输出功率的差值处于很小的范围，则控制s开关的占空比加大；两个输出功率的差值处于较大的范围时，则控制s开关的占空比减小，直到达到最大功率点时停止扰动。

进一步的，所述大功率点跟踪mppt控制器还连接所述风轮机，以对所述风轮机的浆距角和偏航角进行控制。

本发明的风力发电系统最大功率的捕获系统的实现方法的技术方案是：一种风力发电系统最大功率的捕获系统的实现方法，包括：

步骤s1、根据所述永磁同步风力发电机系统的组成以及特点，建立风电最大功率捕获控制的数学模型；

步骤s2、设计最大功率点跟踪控制器的结构，并确定最大功率点跟踪控制器的控制参数为所述sepic斩波器的s开关的占空比；

步骤s3、根据爬山法的特点以及永磁同步风力发电机系统的特点，对变速爬山法进行优化，得到风轮机输出功率的最大功率点的跟踪策略；

步骤s4、在组态软件中开发并封装sepic斩波器控制元件，实现永磁同步风力发电机系统最大功率的捕获控制系统并完成仿真。

进一步的，所述风电最大功率捕获控制的数学模型是：

风轮机产生的机械力矩为：

其中，

所述ρ是空气密度，r是风轮机的半径，vw是风速大小，cp是风能利用系数，且是叶尖速比λ和桨距角β的关系函数，它是评价风能转化效率的依据，取值范围为(0，1)；

在风的密度ρ和风轮机半径r不变的情况下，当风速一定时，风轮机产生的机械力矩则是风轮机转速ωr的函数，则通过控制风轮机转速ωr的大小来追踪最大风能捕获点。

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过设置最大功率点跟踪控制器，该最大功率点跟踪控制器连接在风力发电系统上的sepic斩波器的s开关，以通过控制sepic斩波器的s开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

(2)本发明在控制风轮机的转速时，在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制s开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制s开关的占空比加大，即在传统爬山法的基础上进行了改进，从而提高了风电最大功率点的跟踪速度，减小了扰动功率的浪费，节约资源，从而解决了传统的最优叶尖速比法、功率信号反馈法等方法在实际应用中实现困难、成本高等问题。

(3)本发明还将风力发电系统的最大功率的捕获系统进行组态实现，其对变速爬山法风电最大功率捕获控制系统中的核心模块sepic斩波器进行仿真以及元件的封装，该元件能在不影响动态特性的基础上工作在不同的频率环境下，同时用户使用该元件时只需要根据实际条件调整元件参数而不需要了解内部功能，可直接将其应用到实际的控制系统中，使控制过程更加方便。

(4)本发明在工控组态软件上实现仿真的mppt控制算法程序不会受到实际控制器硬件编程方式和控制器选择的限制，可以直接移植到控制器中并且当控制器硬件升级或者换代后，无需重新编写程序来适应新的控制器。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明系统的结构图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机(包括叶片、轮毂、导航罩)、永磁同步发电机、整流器(图中表达为三相桥式整流器)、sepic斩波器(其具有一s开关)和固定电压的蓄电池组成。

所述风轮机捕获风能，在风力的驱动下旋转，输出机械能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转切割磁感线产生电流，风轮机与转子同轴，转速相等，电流经整流器转化成直流电并经过c1电容器滤波后提供给sepci斩波器，使sepic斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压。所述sepic斩波器是永磁风力发电系统的重要组成部分，该部分具有升降压的功能，可在风力发电机输出电压或输出电压大时做升降压动作。

本发明是将一最大功率点跟踪控制器(图中表达为mppt控制器)连接所述sepic斩波器的s开关，以通过控制sepic斩波器的s开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

其中，所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制s开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制s开关的占空比加大。

具体实现时，是测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率p(n)和p(n+1)，若两个输出功率的差值(绝对值)处于很小的范围(该范围可以根据实际情况进行设置)时，则风轮机转速的爬山速度δω应加大，扰动值加大，则控制s开关的占空比加大；两个输出功率的差值(绝对值)处于较大的范围(该范围可以根据实际情况进行设置)时，风轮机转速的爬山速度δω变小，扰动值变小，则控制s开关的占空比减小，直到输出功率到达到最大功率点时停止扰动。

所述大功率点跟踪mppt控制器还连接所述风轮机，以对所述风轮机的浆距角和偏航角进行控制。

本发明的风力发电系统最大功率的捕获方法的原理如下：建立风电最大功率捕获控制的数学模型，即风轮机产生的机械力矩为：

其中，

所述ρ是空气密度，r是风轮机的半径，vw是风速大小，cp是风能利用系数，且是叶尖速比λ和桨距角β的关系函数，它是评价风能转化效率的依据，取值范围为(0，1)；

在风的密度ρ和风轮机半径r不变的情况下，当风速一定时，风轮机产生的机械力矩则是风轮机转速ωr的函数，则可以通过控制风轮机转速ωr的大小来追踪最大风能捕获点。

那么如何控制风轮机转速ωr的大小呢？

如前文所述，由于永磁同步风力发电机系统中的sepic斩波器的后端连接的是固定电压的蓄电池，因此sepic斩波器的输出电压即为蓄电池的固定电压；为保证sepic斩波器的输出电压不变，可以通过改变s开关的占空比来控制sepic斩波器的输入电压的大小；而sepic斩波器的输入电压即为永磁同步发电机的输出电压；再由于永磁同步发电机的转速和永磁同步发电机的输出电压存在一定的比例关系，因此改变整流后的电压大小就改变了永磁同步发电机转子的转速(也就是风轮机的转速ωr)，从而来实现风力发电控制系统最大功率点的追踪。因此可以通过改变s开关的占空比来达到最大功率的跟踪控制的目的。改变s开关的占空比的算法是采用变速爬山法进行调控，具体算法如下：

爬山搜索法采用比较容易测量的整流器输出端的直流电压和电流来计算风机输出功率大小。搜索到最大功率点时，系统并未停止扰动，会在最大功率点附近来回扰动。若减小扰动量功率浪费会变小，但影响了最大功率点的跟踪速度，增大扰动量跟踪速度会提高，但又增大了最大功率点附近的功率损失。为了克服以上匀速爬山算法的不足，可以在此基础上对爬山搜索法进行改进，即不同周期δω的大小是变化的即变速爬山算法。爬山搜索法的目的是使转速值ω不断靠近最大功率点，因此输出功率不断增大，直到达到最大功率值为止。

为平衡跟踪速度与功率浪费之间的矛盾，本发明采用在离最大功率点远时，爬山速度加快；距离近时，爬山速度放慢。因此可以测量前后两个时刻的功率p(n)和p(n+1)，若两者差值处于很小的范围，则δω应加大，扰动值加大，即控制s开关的占空比加大；两者差值处于较大的范围时，δω变小，扰动变小，则控制s开关的占空比减小。达到最大功率点时停止扰动。

为方便控制，本发明还将上述本发明系统进行组态软件化，其技术方案是：一种风力发电系统最大功率的捕获系统的实现方法，包括：

步骤s1、根据所述永磁同步风力发电机系统的组成以及特点，建立风电最大功率捕获控制的数学模型；即风轮机产生的机械力矩为：

其中，

所述ρ是空气密度，r是风轮机的半径，vw是风速大小，cp是风能利用系数，且是叶尖速比λ和桨距角β的关系函数，它是评价风能转化效率的依据，取值范围为(0，1)；

步骤s2、设计最大功率点跟踪控制器的结构，并确定最大功率点跟踪控制器的控制参数为所述sepic斩波器的s开关的占空比；最大功率点跟踪控制器即采用mppt控制器，工控组态软件上实现仿真的mppt控制算法程序不会受到实际控制器硬件编程方式和控制器选择的限制，可以直接移植到控制器中并且当控制器硬件升级或者换代后，无需重新编写程序来适应新的控制器。

步骤s3、根据爬山法的特点以及永磁同步风力发电机系统的特点，对变速爬山法进行优化，得到风轮机输出功率的最大功率点的跟踪策略；即在离最大功率点远时，爬山速度加快；距离近时，爬山速度放慢。因此可以测量前后两个时刻的功率p(n)和p(n+1)，若两者差值处于很小的范围，则δω应加大，扰动值加大，即控制s开关的占空比加大；两者差值处于较大的范围时，δω变小，扰动变小，则控制s开关的占空比减小。达到最大功率点时停止扰动。

步骤s4、在组态软件中开发并封装sepic斩波器控制元件，实现永磁同步风力发电机系统最大功率的捕获控制系统并完成仿真。

其中，开发并封装sepic斩波器控制元件的过程如下：

采用iap组态软件的开发工具，通过常规的方法设计并实现sepic斩波器元件。具体方法步骤如下：

a)算法分析，对sepic斩波器的电路仿真原理进行分析，包括：控制周期、电容、点感、电压、电流等变化与输入输出的关系。

b)底层代码编写，根据差分方程所对应的算法编写用于sepic斩波器元件开发的接口函数，并生成dll动态链接库，最后在工控组态软件上编写伪代码调用该接口函数，实现其算法功能。

c)元件设计，对需要封装的元件的图标、名称、属性、输入输出个数、内部参数等进行设计。

d)元件封装，在工控组态软件中对所设计的元件进行元件的属性、输入、输出、参数、设置以及算法的代码编写等。

e)测试计算，在工控组态软件的测试平台上对元件进行参数设置，并开始计算，绘制sepic模型电感、电流、电容、电压在开关状态下的动态曲线，并与matlab的动态特性仿真结果对比，验证元件的正确性。

sepic斩波器控制元件封装完成后，可以通过sepic斩波器元件以及常规控制元件工控组态来实现风电最大功率点捕获控制系统的控制逻辑。所述常规控制元件包括基础计算元件、模拟量设定器、中间模拟量、微分调节器元件以及绘图元件。然后利用控制逻辑完成实验仿真并分析仿真结果，实验仿真过程中，当系统稳定后，给系统不同赋予风速的值，观察输出功率、最大输出功率、风能系数、转子转速、占空比大小的变化曲线。所述输出功率由sepic斩波器输入电流和电压获得。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。