一种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法
【专利摘要】本发明公开了一种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法，它不需要风速检测装置就可判断出风速突变，且不涉及复杂的控制算法，现场操作简便。基于扰动观察法，本发明在风速突变时以合适的扰动步长进行系统的最大功率点跟踪控制，解决了风速突降时由于励磁电流失调导致的发电机发生堵转的问题，保证了开关磁阻电机风力发电系统运行的稳定性。该发电系统主要由风轮机、齿轮箱、功率变换器、母线电容、直流电源、直流负载、控制器、开关磁阻电机、信号滤波装置以及信号检测装置组成。在开关磁阻电机风力发电系统的直流母线侧加入输出信号滤波装置，可减小输出功率的振荡幅度，提高对最大功率点跟踪的快速性。
【专利说明】-种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电领域，涉及一种实现开关磁阻电机风力发电系统最大功率点 跟踪方法，适用于无风速检测装置的开关磁阻电机风力发电系统。
【背景技术】
[0002] 随着能源枯竭和环境恶化，风能、太阳能等新能源呈现了迅速的发展趋势，其中风 能以其可再生、清洁等优点在发电领域的地位越来越重要。
[0003] 目前在风力发电领域常采用的发电机有永磁发电机、普通感应发电机和双馈发电 机。这几种常规发电机在实际应用中的不足点有：永磁发电机制造成本很大；普通感应发 电机发电效率很低；双馈发电机结构复杂，维护量大，发电效率也不高。与常规发电机相比， 开关磁阻发电机具有结构简单，损耗小，成本低，耐高温，无去磁效应，容错能力高，中低速 运行时可省掉齿轮箱，运行效率高，易于并网等优点，使开关磁阻电机在风力发电系统中的 应用更具优势。
[0004] 风轮机是风力发电系统的核心部件，为了使其所捕获的能量得到最大限度利用， 提高发电效率，需要在额定风速以下对发电系统进行最大功率点跟踪（简称MPPT)控制。 在已有众多的最大功率点跟踪方法中，扰动观察法因其无需事先知道风轮机的相关参数， 易实现，且控制过程中发电系统运行相对平稳，省去了风速测量装置，可靠性高等特点，被 广泛采用于开关磁阻电机风力发电系统（简称发电系统）的最大功率点跟踪控制中。扰动 观察法的不足之处在于：由于风轮机输出功率的变化滞后于风轮机机械功率的变化，当风 速突变时扰动观察法对扰动步长的确定存在缺陷，不能给出正确的扰动步长，从而使发电 系统运行于不稳定状态，情况严重时开关磁阻电机会发生堵转，对整个发电系统运行十分 不利。这里的"风速突变"指风速变化引起发电机转速变化量是原来转速变化量的5倍以 上。另外，由于负载两端的电容只起到提供励磁电压的作用，加上开关磁阻电机换相的影 响，母线电压会波动变化，因此发电系统的输出功率也会脉动变化，由于扰动观察法控制中 是将系统输出功率作为控制条件的，因此发电系统输出功率的脉动变化会使最大功率点跟 踪控制模块对扰动步长的大小产生影响，降低整个发电系统对最大功率点的跟踪速度。
[0005] 合理优化扰动观察法，使开关磁阻电机风力发电系统在不需要安装风速测量装置 的条件下，就能够可靠、准确的判断风速是否发生突变，及时对开关磁阻电机励磁电流给予 正确的扰动步长，保证发电系统对最大功率点跟踪控制能够快速、可靠的实现是亟待解决 的关键问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：在开关磁阻电机风力发电系统中，本着提高发电 系统调节的快速性与稳定性原则，针对风速突变时最大功率点跟踪控制实现困难的现象， 提出一种不需要风速检测装置就可判断出风速突变的方法，可保障发电系统运行的稳定 性。另外，在发电系统直流母线侧加入输出信号（电流、电压）滤波装置，使最大功率点跟 踪控制的快速性得到提高。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 步骤1 :采集当前时刻（k时刻）经滤波后的母线电压U(k)、电流I(k)以及开关磁 阻电机的转速n(k);这里k为正整数，指的是采样时刻；
[0009] 步骤2 :由步骤1采集到的电压信号U(k)、电流信号I (k)，计算k时刻发电系统的 输出功率P(k)，并利用前一时刻（k-1时刻）的发电系统输出功率P(k-l)和开关磁阻电机 转速n(k-l)分别计算k时刻的输出功率增量dP(k) =P(k)-P(k-l)和转速增量dn(k)= n(k)_n(k_l);
[0010] 步骤3 :判断是否到达发电系统输出功率的最大点，若到达最大功率点，执行步骤 7 ;若没有到达最大功率点，执行步骤4 ;
[0011] 步骤4:判断风速是否发生突变，若风速发生了突变，则该条件满足，执行步骤6 ; 若风速没有发生突变，则该条件不满足，执行步骤5 ;
[0012] 步骤5 :步骤4中的条件不满足，采用一般的扰动观察法，即步长
【权利要求】
1. 一种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于：基于扰动观察 法，本发明公布的最大功率方法实现步骤如下： 步骤1 :采集当前时刻（k时刻）母线电压U(k)、电流I(k)以及开关磁阻电机转速 n (k);这里k为正整数，指的是采样时刻； 步骤2 :由步骤1采集到的电压信号U(k)、电流信号I (k)，计算k时刻开关磁阻电机 风力发电系统的输出功率P(k)，并利用前一时刻系统输出功率P(k-l)和开关磁阻电机转 速n(k-l)分别计算k时刻的功率和转速增量分别为dP(k) =P(k)-P(k-l)和dn(k)= n(k)_n(k_l)； 步骤3:判断是否到达开关磁阻电机风力发电系统输出功率最大点，若到达，执行步骤 7 ;若没有到达，执行步骤4 ; 步骤4 :判断风速是否发生突变，若风速发生了突变，则该条件满足，执行步骤6 ;若风 速没有发生突变，则该条件不满足，执行步骤5 ; 步骤5 :步长I
an(k)尹0。下一时刻的励磁电流由下式⑴决定：
) 步骤6 :步长δ = A,此时下一时刻的励磁电流由下式（2)决定：
步骤7 :返回步骤1，开始下一时刻（k+Ι时刻）的扰动控制，则上一时刻的参量传递到 下一时刻，即 k = k+1，k_l = k，k_2 = k_l。
2. 根据权利要求I所述一种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法，其特征 在于：采用风速突变前后开关磁阻发电机转速的变化特点来确定风速是否发生突变，即判 断风速突变的依据为：Idn(k) I是否大于I1，且|dn(k-1) I是否小于ξ2;若风速发生了突 变，则该条件满足；若风速没有发生突变，则该条件不满足。
3. 根据权利要求1所述一种开关磁阻电机风力发电系统最大功率点跟踪方法，其特征 在于：该开关磁阻电机风力发电系统工作过程如下： 步骤1 :启动阶段，系统上电，开关磁阻电机以电动方式运行至额定转速； 步骤2 :调节开关磁阻电机的开通角和关断角，使其运行在发电状态； 步骤3 :功率变换器自励运行； 步骤4 :自励模式下，采用电流斩波控制（简称CCC)法，检测装置将检测到的开关磁阻 发电机转速、电流以及经滤波装置滤波后的母线电压、电流信号送到控制器，控制器将采集 到的信号处理之后驱动功率变换器中的开关器件，进行扰动控制，实现最大功率点跟踪调 节，进而使风轮机所捕获的电能尽可能多的通过开关磁阻发电机供到直流负载； 步骤5 :是否停机，若是，则手动切除电源，系统停止运行；若否，执行步骤4。
4. 根据权利要求3所述开关磁阻电机风力发电系统最大功率跟踪控制方法的特征在 于：在开关磁阻电机风力发电系统直流母线侧加入输出信号滤波装置，可以减小母线输出 功率的波动，提高最大功率跟踪的快速性。
【文档编号】H02P9/04GK104378033SQ201410553554
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】宋受俊, 林亚利, 张蔓 申请人:西北工业大学