一种小型风力发电机最大功率跟踪装置制造方法
【专利摘要】一种小型风力发电机最大功率跟踪装置，采样单元与小型风力发电机相连接，用于采集其输出功率及角速度；处理器分别与采样单元以及PWM控制器相连，用于根据采集的相邻两工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值，进而获取扰动步长变化量并传输至PWM控制器；PWM控制器与DC/DC电能变换电路相连，用于将扰动步长变化量与预设的PWM载波信号相比较，产生PWM控制信号；DC/DC电能变换电路用于接收PWM控制信号，实时调节输出电压以及负载功率，完成最大功率跟踪。本实用新型根据小型风力发电机的P-W输出特性曲线的特点，用面积比改变扰动步长变化量，能快速跟踪小型风机最大功率，且减少在跟踪最大功率点附近的振荡现象。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及新能源【技术领域】，尤其涉及一种通过面积比值来确定扰动步长变 化量的小型风力发电机最大功率跟踪装置。 -种小型风力发电机最大功率跟踪装置
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展，能源和环境成为人们面对的紧要问题。风能作为以一种清洁可 再生能源，有很好的应用前景。发电功率在10千瓦及其以下的小型风力发电机越来越受到 用户的关注。由于风能具有随机性、不稳定性和能量密度低等特点，给风能的利用产生了很 多问题。因此，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)技术的研 究和发展变得尤为重要。最大功率点跟踪技术使系统快速、准确地从外界吸收更多的能量。 目前，应用于小型风力发电机MPPT控制技术主要有最佳叶尖速比法、功率反馈法、扰动 观察法3种方法。
[0003] 最佳叶尖速比（TSR)法的基本思想是当风速变化时，实时调整发电机转速，维持 小型风力发电机的叶尖速比在最佳值处（最佳值一般是通过计算或实验获得），这样在任 何风速下风能的利用率都最大，从而实现最大风能跟踪。此种控制算法的好处是控制原理 简单，容易实现。缺点是需要测量风速U和小型风力发电机转速，还需要预先知道小型风力 发电机固有的叶尖速比曲线，由于风速的实时准确测量比较困难。此种控制算法容易引起 小型风力发电机输出功率的剧烈波动，因此在实际中应用较少。
[0004] 功率反馈法（PSF)的基本思想是预先计算或实验得到最大功率点曲线，当风速发 生变化时，首先检测出小型风力发电机的转速，然后根据最大功率曲线计算出此时风机的 输出功率，以此为参考功率并与当前风速下的风机捕获实际功率作比较产生差值信号，从 而进行功率的闭环控制，实现对最大功率点的跟踪。该方法的优点是不用测量风速，而且小 型风力发电机的输出功率不会波动，缺点是对于不同的小型风力发电机，需要事先仿真或 试验得到小型风力发电机的最大功率曲线，增加功率反馈控制难度和实际应用成本。
[0005] 扰动观察法与太阳能发电系统扰动法基本相似；首先给风轮施加一个较小的转 速波动，然后检测系统的输出功率的变化量，如果变化量大于零，则表明扰动方向正确；如 果变化量小于零，则向相反的方向进行扰动。该方法简单、不需要测量风速，可以很好降低 成本，但是在最大功率点处，由于步长的原因，会产生波动且步长过小，跟踪速度减慢，步长 过大会造成最大功率跟踪过程中功率的波动。
[0006] 因此，需要提出一种新的最大功率跟踪装置，以快速跟踪小型风力发电机最大功 率并可以减少在跟踪最大功率点附近的振荡现象，提1?小型风力发电机的利用率。 实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种小型风力发电机最大功率跟踪装 置，通过面积的比值来确定扰动步长变化量，实现快速跟踪小型风力发电机最大功率并可 以减少在跟踪最大功率点附近的振荡现象，提高小型风力发电机的利用率，降低小型风力 发电机发电系统的成本。
[0008] 为实现上述目的，本实用新型提供了一种小型风力发电机最大功率跟踪装置，包 括：采样单元、处理器、PWM控制器以及DC/DC电能变换电路；所述采样单元与小型风力发电 机相连接，用于采集小型风力发电机的输出功率及角速度；所述处理器分别与所述采样单 元以及PWM控制器相连，用于根据所述采样单元采集的相邻两工作点的输出功率及角速度 获取相应面积比以及输出功率差值，进而获取扰动步长变化量并传输至所述PWM控制器； 所述PWM控制器与所述DC/DC电能变换电路相连，用于将所述扰动步长变化量与预设的PWM 载波信号相比较，产生PWM控制信号；所述DC/DC电能变换电路与负载相连，用于接收所述 PWM控制信号，实时调节输出电压以及负载功率，完成最大功率跟踪。
[0009] 所述处理器进一步包括三角形面积获取单元、矩形面积获取单元以及扰动步长变 化量获取单元；所述三角形面积获取单元与所述采样单元相连，用于根据所述采样单元采 集的相邻两工作点的输出功率的差值及角速度的差值获取三角形面积；所述矩形面积获取 单元与所述采样单元相连，用于根据所述采样单元采集的相邻两工作点的角速度的差值及 相邻两工作点中第一工作点的输出功率获取矩形面积；所述扰动步长变化量获取单元分别 与所述三角形面积获取单元以及矩形面积获取单元相接，用于获取所述三角形面积与矩形 面积的比值及输出功率差值，进而获取扰动步长变化量。
[0010] 进一步，所述DC/DC电能变换电路采用由电容、电阻、电感、电力电子开关组成的 Boost升压电路，所述Boost升压电路接收所述PWM控制信号，若PWM控制信号为高电平，则 所述电力电子开关导通；若PWM控制信号为低电平，则所述电力电子开关断开，从而实时调 节输出电压以及负载功率，完成最大功率跟踪。
[0011] 本实用新型小型风力发电机最大功率跟踪装置的积极效果是：本实用新型根据小 型风力发电机的P-W输出特性曲线的特点，采用面积比来改变扰动步长变化量。面积的比 值随工作点离最大功率点的距离改变而改变，扰动步长变化量则随着面积比值的改变而改 变；通过面积比的自适应来实现扰动步长变化量的自寻优，快速实现对小型风力发电机最 大功率点的跟踪；且在最大功率点附近，面积比较几乎为零，扰动步长变化量基本为零，可 以减少在最大功率跟踪过程中功率的振荡，从而可以很好对小型风力发电机最大功率进行 跟踪。即使外界环境突变，扰动步长变化量也随着面积的比迅速改变而改变，从而可以减少 在最大功率点的误判现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本实用新型小型风力发电机最大功率跟踪装置的架构示意图；
[0013] 图2是本实用新型小型风力发电机P-W输出特性曲线示意图；
[0014] 图3是本实用新型实现最大功率跟踪流程图；
[0015] 图4是本实用新型系统仿真电路图。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合附图对本实用新型一种小型风力发电机最大功率跟踪装置做详细说明。
[0017] 参见图1，一种小型风力发电机最大功率跟踪装置，包括采样单元1、处理器2、PWM 控制器3以及DC/DC电能变换电路4。由于外界风速一定时，小型风力发电机的P-W输出特 性曲线为一条单峰值曲线，只有一个最大功率点，因此可以通过扰动步长来实现最大功率 点的跟踪。
[0018] 所述采样单元1与小型风力发电机10相连接，用于采集小型风力发电机10的输 出功率P及角速度W。
[0019] 所述处理器2分别与所述采样单元1以及PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽 度调制)控制器3相连，用于根据所述采样单元1采集的相邻两工作点的输出功率及角速度 获取相应面积比以及输出功率差值，进而获取扰动步长变化量并传输至所述PWM控制器3。
[0020] 参考图2,小型风力发电机P-W输出特性曲线，设曲线上相邻两工作点中第一工作 点A的坐标为（Wl，P1)，第二工作点B的坐标为（W2, P2)，其中P为小型风力机输出功率， W为小型风力机角速度。点B与其在所述P-W输出特性曲线的W坐标轴上投影D的连线为 BD，点A与其在所述P-W输出特性曲线的P坐标轴上投影A'的连线为A A'，BD与A A'的 反向延长线的交叉点C的坐标为（W2，P1);则线段AB、AC、BC构成了一个三角形ABC，其面 积Sl= (W2 - W1)*(P2 - Pl)/2。点A在所述P-W输出特性曲线的W坐标轴上投影E;线 段AC、AE、⑶和DE构成了一个矩形A⑶E，其面积S2= (W2 - Wl) *P1。则第二工作点B的 扰动步长变化量的值为Λ D=K*S1/S2,扰动灵敏度K为常系数（0〈K〈1 )，可以通过实验得到； 且第二工作点Β在最大功率点Μ左边，第二工作点Β与第一工作点Α两者输出功率差值大 于零，故Λ D取正值。
[0021] S1与S2的面积比值跟工作点离最大功率点Μ的位置有关：当工作点离最大功率 点Μ较远时，面积比值S1/S2较大，此时扰动步长变化量Λ D较大，可以快速的跟踪最大功 率点；当工作点离最大功率点Μ较近时，面积比值S1/S2较小，此时扰动步长变化量Λ D较 小，可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡；当在最大功率点Μ附近时，面积比值S1/S2 几乎为零，扰动步长变化量Λ D几乎为零，从而能实现最大功率点的跟踪，基本消除了振荡 现象，减小了功率损失。在最大功率点Μ左侧，Λ Ρ=Ρ2 - Ρ1>0,根据S1/S2的比值，处理器 2产生相应大小且正向的Λ D并传输至所述PWM控制器3 ;在最大功率点Μ右侧，Λ Ρ=Ρ2 - Pl〈〇,根据S1/S2的比值，处理器2产生相应大小且负向的Λ D并传输至所述PWM控制器3。
[0022] 继续参考附图1，作为优选的实施方式，所述处理器2进一步包括三角形面积获取 单元21、矩形面积获取单元22以及扰动步长变化量获取单元23。
[0023] 所述三角形面积获取单元21与所述采样单元1相连，用于根据所述采样单元1采 集的相邻两工作点的输出功率的差值及角速度的差值获取三角形面积。同时参考图2,相邻 两工作点中第一工作点A的坐标为（Wl，P1)，第二工作点B的坐标为（W2, P2)，所述三角形 面积获取单元21获取的三角形面积Sl= (W2 - Wl) *(P2 - Pl)/2。
[0024] 所述矩形面积获取单元22与所述采样单元1相连，用于根据所述采样单元1采 集的相邻两工作点的角速度的差值及相邻两工作点中第一工作点的输出功率获取矩形面 积。同时参考图2,相邻两工作点中第一工作点A的坐标为（Wl，P1)，第二工作点B的坐标 为（W2, P2)，所述矩形面积获取单元22获取的矩形面积S2= (W2 - Wl) *P1。
[0025] 所述扰动步长变化量获取单元23分别与所述三角形面积获取单元21以及矩形面 积获取单元22相接，用于获取所述三角形面积与矩形面积的比值及输出功率差值，进而获 取扰动步长变化量。同时参考图2,第二工作点B的扰动步长变化量的值为Λ D=K*S1/S2， 扰动灵敏度K为常系数（0〈K〈1 )。且第二工作点B在最大功率点Μ左边，第二工作点B与第 一工作点A两者输出功率差值大于零，故AD取正值。
[0026] 所述PWM控制器3与所述DC/DC电能变换电路4相连，用于将所述扰动步长变化 量与预设的PWM载波信号相比较，产生PWM控制信号。其中，所述PWM控制器3的输入信息 为所述处理器2获取的扰动步长变化量Λ D=K*S1/S2,将Λ D转换成PWM控制器3可以处 理的数据格式后，与PWM控制器3预设的内置的PWM载波信号比较，产生随Λ D变化而变化 PWM控制信号输出至所述DC/DC电能变换电路4。
[0027] 所述DC/DC电能变换电路4与负载20相连，用于接收所述PWM控制信号，实时调节 输出电压以及负载功率，完成最大功率跟踪。当工作点离最大功率点Μ较远，扰动步长变化 量Λ D较大，此时通过Λ D与PWM载波信号比较，输出占空比较大的PWM控制信号，则所述 DC/DC电能变换电路4输出电压升高较快，工作点向最大功率点Μ快速移动；当工作点离最 大功率点Μ较近，扰动步长变化量Λ D较小，此时通过Λ D与PWM载波信号比较，输出占空 比较小的PWM控制信号，则所述DC/DC电能变换电路4输出电压升高较慢，工作点向最大功 率点Μ缓慢移动，可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡；直到完成最大功率点的跟踪。
[0028] 作为优选的实施方式，所述DC/DC电能变换电路4采用由电容、电阻、电感、电力电 子开关组成的Boost升压电路，所述Boost升压电路接收所述PWM控制信号，若PWM控制 信号为高电平，则所述电力电子开关导通；当工作点离最大功率点Μ较远，扰动步长变化量 Λ D较大，此时通过Λ D与PWM载波信号比较，输出占空比较大的PWM控制信号，PWM控制信 号占空比越大，电力电子开关导通的时间越长，则工作点向最大功率点Μ快速移动；PWM控 制信号占空比越小，电力电子开关导通的时间越短，则工作点向最大功率点Μ缓慢移动。若 PWM控制信号为低电平，则所述电力电子开关断开，从而实时调节输出电压以及负载功率， 完成最大功率跟踪。
[0029] 设所述Boost升压电路的输入电压为Uin、电流为Iin ;输入等效电阻为Req。所 述Boost升压电路的输出电压为U0、电流为10 ;负载电阻为R0。在电能变换前后，电能损 失很小，可以忽略，则输出电压U0 =(1/ (1 - D))*Uin ;D为驱动电力电子开关的PWM波 的占空比；U0* I0 = Uin*Iin = Uin2/Req = U02/R0，则 Req = Uin/Iin =(1-D)2*R0。 对小型风力发电机的转速扰动相当于对Boost升压电路的输入电压进行扰动，因此通过扰 动控制输入电压以此控制占空比变化的PWM波，来实时调节占空比D，使输入阻抗与负载阻 抗匹配，来完成最大功率点的跟踪；另一方面Boost升压电路起到升高电压的作用。
[0030] 当PWM控制信号为高电平时，电力电子开关导通，其所在支路相当于一根导线，小 型风力发电机输出的电压对电感充电，电容上的电压向负载供电。当PWM控制信号为低电 平时，电力电子开关所在支路断开，电感电容共同向负载供电。根据风力机的输出功率实时 调节输入Boost升压电路的电力电子开关的PWM控制信号，通过电力电子开关的通断实现 占空比D的调节，进而实现电能的传送、输出电压的调节、负载功率的调节，辅助实现最大 功率跟踪。
[0031] 参考图3,实现最大功率跟踪流程图。其中，P、W为小型风力发电机的功率及角速 度；Ρ(κ - 1)为前一个周期小型风力发电机的输出功率，P(K)为当前小型风力发电机的输 出功率；S1为三角形ABC的面积，S2为矩形ACDE的面积；D⑷为当前扰动步长，D(K十1) 为下一个周期的扰动步长，Λ Dt为一个临时变量;W(K)为当前的角速度，Wmax为最大功率 点角速度。当ΛΡ = Ρ(Κ) - P(K-1)>0,若W(K)〈Wmax，则当前工作点在最大功率点左边， ADt =ADt，下一个扰动步长D (K+1)=D (K) + ADt，当前工作点向最大功率点靠近；若 W(K)>Wmax，则当前工作点在最大功率点右边，ADt = -ADt，下一个扰动步长D (K+1)=D (1〇 +厶0。当前工作点向最大功率点靠近。当厶？ = ?〇()-?〇(-1)〈0，若1〇()〈術1&1， 则当前工作点在最大功率点左边，ADt =ADt，下一个扰动步长D (K+1)=D (K) + ADt， 当前工作点向最大功率点靠近；若W(K)>Wmax，则当前工作点在最大功率点右边，ADt = - 厶0丨，下一个扰动步长0(1(+1)=0(1〇 +厶0丨，当前工作点向最大功率点靠近。将当前小 型风力发电机的输出功率P(K)赋值给P(K - 1)，继续进行最大功率点跟踪。
[0032] 本实用新型根据小型风力发电机的P-W输出特性曲线的特点，采用面积比来改变 扰动步长变化量。面积的比值随工作点离最大功率点的距离改变而改变，扰动步长变化量 则随着面积比值的改变而改变；工作点在离最大功率点较远时，面积比值较大，扰动步长变 化量较大，此时可以快速跟踪最大功率点；工作点在距离最大功率点较近时，面积比值较 小，扰动步长变化量较小，以小步长进行扰动，可以减少功率跟踪过程中功率的振荡；工作 点在最大功率点附近，面积比较几乎为零，扰动步长变化量基本为零，在最大功率点基本没 有振荡，从而可以很好对小型风力发电机最大功率进行跟踪。也即，通过面积比的自适应来 实现扰动步长变化量的自寻优，快速实现对小型风力发电机最大功率点的跟踪。且当外界 环境发生很大变化时，如风速变化很大，则小型风力发电机的转速发生变化，角速度随之改 变，小型风力发电机的输出功率曲线会相应的发生改变；此时面积比值也会随之发生变化， 从而装置将以新的步长较快的跟踪到新的最大功率点。
[0033] 接下来结合图4所示系统仿真电路图来进一步说明本实用新型所述小型风力发 电机最大功率跟踪装置。
[0034] 模块40为Powergui模块，表示系统工作在联系状态下。模块48为负载模块。
[0035] 模块41包括小型风力发电机模型及输入小型风力发电机的风速（wind speed)、 小型风力发电机角速度（generator speed)、桨距角（Pitch Angle)、小型风力发电机半径 R ;模块41的输出为小型风力发电机转矩Tm、风能利用系数Cp及小型风力发电机机械功率 Pm〇
[0036] 模块42为永磁直驱式同步发电机，其直接与小型风力发电机相连接，把小型风力 发电机提供转矩Tm输出的机械能转化为电能并输出三相交流电A、B、C。
[0037] 模块43为三相不可控整流器，用于把永磁直驱式同步发电机输出的三相交流电 转化为直流电，同时防止能量反馈的作用。
[0038] 模块44本实用新型所述小型风力发电机最大功率跟踪装置的控制部分，包括 MPPT模块以及PWM模块。MPPT模块采集风力机的输出功率P及角速度W，计算面积Sl= (W2 - Wl) *(P2 - PI)、S2= (W2 - Wl) *P1 ;获得扰动步长变化量Λ D=K*S1/S2 ;MPPT 模块 根据ΛΡ=Ρ2 - P1的正负，产正负、大小不同的AD。PWM模块输入为AD=K*S1/S2，AD通 过转换与PWM模块内置的PWM载波信号比较，产生随Λ D变化而变化PWM控制信号，PWM控 制信号直接控制Boost升压电路的电力电子开关，通过实时调节电力电子开关的通断来完 成最大功率的跟踪。
[0039] 模块45本实用新型所述小型风力发电机最大功率跟踪装置的DC/DC电能变换电 路部分，采用由电容C1、电感L1、电阻R1、电力电子开关IGBT以及二极管D1、滤波电容C0 组成的Boost升压电路。当PWM控制信号为高电平时，电力电子开关IGBT导通，所在支路 相当于一根导线，小型风力发电机输出的电压对电感L1充电，电容Cl上的电压向负载供 电。当PWM控制信号为低电平时，电力电子开关IGBT所在支路断开，LI、C1共同向负载供 电。通过电力电子开关的通断实现电能的传送、输出电压的调节、负载功率的调节。
[0040] 模块461-464分别为电压表VM1、VM2,电流表CM1、CM2,分别测量并输出所在支路 的电压、电流。模块471-472均为示波器，主要用于观察仿真结果。其中，模块471用于测 量小型风力发电机的机械转矩Tm、风能利用系数Cp以及机械功率Pm ;模块472用于测量 Boost升压电路输入功率及负载模块输出电流、电压。
[0041] 永磁直驱式发电机的输出电压与其输入转速成正比的关系，发电机的输出电压经 整流后输出电压也与输入电压近似成比例关系；所以三相不可控整流器的输出电压与永磁 直驱式发电机的输入转速近似成比例关系；对小型风力发电机的转速扰动相当于对三相不 可控整流器的输出电压进行扰动；该电压即为Boost升压电路的输入电压，因此通过扰动 控制输入电压以此控制占空比可以改变的PWM波，来实时调节占空比D，使输入阻抗与负载 阻抗匹配，来完成最大功率点的跟踪。
[0042] 通过仿真可以看出，工作点在离最大功率点较远时，面积比值较大，扰动步长变化 量较大，此时可以快速跟踪最大功率点；工作点在离最大功率点较近时，面积比值较小，扰 动步长变化量较小，以小步长进行扰动，可以减少功率跟踪过程中功率的振荡；工作点在 最大功率点附近，面积比较几乎为零，扰动步长变化量基本为零，在最大功率点基本没有振 荡，从而可以很好对小型风力发电机最大功率进行跟踪。
[〇〇43] 以上所述仅是本实用新型的优选实施例，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术 人员，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种小型风力发电机最大功率跟踪装置，其特征在于，包括：采样单元、处理器、PWM 控制器以及DC/DC电能变换电路； 所述采样单元与小型风力发电机相连接，用于采集小型风力发电机的输出功率及角速 度； 所述处理器分别与所述采样单元以及PWM控制器相连，用于根据所述采样单元采集的 相邻两工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值，进而获取扰动步长 变化量并传输至所述PWM控制器； 所述PWM控制器与所述DC/DC电能变换电路相连，用于将所述扰动步长变化量与预设 的PWM载波信号相比较，产生PWM控制信号； 所述DC/DC电能变换电路与负载相连，用于接收所述PWM控制信号，实时调节输出电压 以及负载功率，完成最大功率跟踪。
2. 如权利要求1所述的小型风力发电机最大功率跟踪装置，其特征在于，所述处理器 进一步包括三角形面积获取单元、矩形面积获取单元以及扰动步长变化量获取单元；所 述三角形面积获取单元与所述采样单元相连，用于根据所述采样单元采集的相邻两工作点 的输出功率的差值及角速度的差值获取三角形面积；所述矩形面积获取单元与所述采样 单元相连，用于根据所述采样单元采集的相邻两工作点的角速度的差值及相邻两工作点中 第一工作点的输出功率获取矩形面积；所述扰动步长变化量获取单元分别与所述三角形 面积获取单元以及矩形面积获取单元相接，用于获取所述三角形面积与矩形面积的比值及 输出功率差值，进而获取扰动步长变化量。
3. 如权利要求1所述的小型风力发电机最大功率跟踪装置，其特征在于，所述DC/DC电 能变换电路采用由电容、电阻、电感、电力电子开关组成的Boost升压电路，所述Boost升压 电路接收所述PWM控制信号，若PWM控制信号为高电平，则所述电力电子开关导通；若PWM 控制信号为低电平，则所述电力电子开关断开，从而实时调节输出电压以及负载功率，完成 最大功率跟踪。
【文档编号】H02P9/00GK203883728SQ201320829769
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】吴增强, 邹海荣, 魏浩 申请人:上海电机学院