陳 杰 陳家偉 龔春英

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016）

1 引言

考慮到中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率等級(jí)較低（一般在100kW 以下），其通常采用定槳距永磁直驅(qū)結(jié)構(gòu)并以變速方式運(yùn)行以提高機(jī)組發(fā)電效率和降低成本[1,2]。為此，本文將變速定槳永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象。

為提高機(jī)組捕獲到的風(fēng)能，需要在全風(fēng)速范圍內(nèi)對(duì)機(jī)組實(shí)施功率優(yōu)化控制，即控制機(jī)組按圖1 中所示的最佳功率曲線運(yùn)行[3]。主要包含三部分：低風(fēng)速區(qū)的最大功率跟蹤（MPPT）運(yùn)行以及高風(fēng)速區(qū)的限轉(zhuǎn)速和限功率運(yùn)行。

圖1 理想運(yùn)行曲線Fig.1 Ideal operation curve

對(duì)于低風(fēng)速區(qū)的最大功率跟蹤控制運(yùn)行，目前已有的MPPT 控制策略主要分為三類：①最佳葉尖速比法；②擾動(dòng)觀察法（爬山法）；③基于最佳關(guān)系曲線的功率反饋法。最佳葉尖速比法通過(guò)測(cè)量風(fēng)速和機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，直接將機(jī)組運(yùn)行的葉尖速比控制在最佳位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的MPPT 運(yùn)行[4]。然而，該方法因需測(cè)量風(fēng)速，控制精度低，成本高，較少采用[5]。爬山法通過(guò)擾動(dòng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速，觀察由此引起的功率變化從而控制機(jī)組向最大功率點(diǎn)方向靠近[6,7]。該方法不需測(cè)量風(fēng)速且不需預(yù)知機(jī)組的氣動(dòng)特性曲線，具有成本低和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。但該方法也存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是運(yùn)行中始終存在功率脈動(dòng)，增加了傳動(dòng)鏈載荷；二是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的機(jī)組，跟蹤速度慢，且在風(fēng)速變化較快時(shí)易出現(xiàn)跟蹤失敗現(xiàn)象。因此，該方法適合用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的小功率（幾百瓦到幾千瓦）機(jī)組。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的中等功率（幾十千瓦及以上）機(jī)組，具有較快跟蹤速度的功率反饋MPPT 控制方法則更為適用[8-10]。但該方法需預(yù)知風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性曲線，通用性差。

此外，機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)運(yùn)行時(shí)，為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，需對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行限制。因定槳距機(jī)組槳距角固定不可調(diào)節(jié)，機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)的恒功率控制相比變槳距機(jī)組困難。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)變速定槳機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)的功率限制控制策略的相關(guān)報(bào)道較少。文獻(xiàn)[11]提出在高風(fēng)速區(qū)采用恒轉(zhuǎn)速失速方法來(lái)限制機(jī)組的輸出功率，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的限制；另一方面因轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)速增加時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)下降，達(dá)到了減小機(jī)組捕獲能量的作用。然而，隨著風(fēng)速增大，機(jī)組的輸出功率仍將繼續(xù)增大，發(fā)電機(jī)和變換器的容量需隨之增大。文獻(xiàn)[12]提出一種高風(fēng)速區(qū)的恒輸出功率失速控制策略，指出在額定風(fēng)速以上通過(guò)增大機(jī)組的輸出功率，迫使機(jī)組進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，以減小機(jī)組捕獲的功率。然而，考慮到該方法中又希望輸出功率被控制為恒定輸出，即實(shí)現(xiàn)恒輸出功率運(yùn)行，因此該控制策略存在嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題。為保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，需要在控制環(huán)路中引入時(shí)間常數(shù)大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的低通濾波器，這嚴(yán)重影響了機(jī)組在額定風(fēng)速以下MPPT 運(yùn)行速度。

綜上所述，本文首先在低風(fēng)速區(qū)將爬山法和功率反饋MPPT 方法相結(jié)合，提出一種改進(jìn)型MPPT控制策略。該策略首先運(yùn)用爬山法尋求到機(jī)組的最大功率運(yùn)行點(diǎn)。一旦控制策略尋求到一個(gè)最佳功率點(diǎn)，控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入功率反饋MPPT 控制模式以提高機(jī)組的跟蹤速度，并消除爬山法跟蹤過(guò)程中的功率脈動(dòng)。所提出的方法不需要預(yù)知風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，具有很好的通用性。之后，為在全風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)機(jī)組實(shí)施功率優(yōu)化控制，本文在所提出的改進(jìn)型 MPPT 控制策略基礎(chǔ)上引入氣動(dòng)功率控制外環(huán)，當(dāng)機(jī)組功率超過(guò)額定功率后，通過(guò)功率外環(huán)的作用降低機(jī)組運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，迫使機(jī)組進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)的恒功率運(yùn)行控制。此外，本文提出方法可實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器（風(fēng)速和轉(zhuǎn)速傳感器）控制，大大降低了系統(tǒng)成本。最后，為驗(yàn)證本文提出控制策略的正確性，將所提出的方法運(yùn)用到不同風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的正確性和可行性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及統(tǒng)一功率控制策略

本文研究的變速定槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)。定槳距風(fēng)輪與永磁同步發(fā)電機(jī)采用剛性連接方式。發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)二極管整流后變?yōu)橹绷麟?，通過(guò)Boost 變換器升壓后接入直流母線。機(jī)組按是否接入電網(wǎng)可分為并網(wǎng)或離網(wǎng)形式。然而，采用不同形式的接法時(shí)機(jī)組的直流母線電壓Vl通常都被控制為恒定值，可等效為一個(gè)電壓源，并網(wǎng)的功率（蓄電池充電功率）則通過(guò)控制并網(wǎng)電流（充電電流）進(jìn)行控制。因此，機(jī)組結(jié)構(gòu)形式對(duì)系統(tǒng)功率控制策略無(wú)影響，均通過(guò)控制Boost變換器實(shí)現(xiàn)。本文采用離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2 還給出了本文提出的統(tǒng)一功率控制策略原理框圖，主要由改進(jìn)的MPPT 控制策略、轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器（PI）以及恒功率環(huán)調(diào)節(jié)器（PI1）組成。下面對(duì)統(tǒng)一功率控制策略的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 所研究的機(jī)組結(jié)構(gòu)形式和提出控制策略框圖Fig.2 Turbine structure under consideration and the block diagram of the proposed control strategy

3 控制策略工作原理分析

3.1 最佳MPPT 控制關(guān)系導(dǎo)出

由空氣動(dòng)力學(xué)原理可知，定槳距風(fēng)力機(jī)捕獲的氣動(dòng)功率可表示為

式中，Pr為氣動(dòng)功率；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速；R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面半徑；CP為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，對(duì)于定槳距機(jī)組，其值僅為葉尖速比λ 的函數(shù)，且λ 可表示為機(jī)組轉(zhuǎn)速ω 和風(fēng)速v 的關(guān)系

圖3 1.2kW 風(fēng)力機(jī)CP-λ 曲線Fig.3 CP-λ curve of a 1.2kW wind turbine

圖3 所示為一臺(tái)額定功率為1.2kW 的定槳距風(fēng)輪的CP-λ 曲線。若能控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速時(shí)刻跟隨風(fēng)速變化，使機(jī)組始終工作在最佳葉尖速比λopt，可使機(jī)組捕獲最大的功率系數(shù)CPmax，此時(shí)機(jī)組運(yùn)行于最佳運(yùn)行功率Prmax處

式中，ωopt為最佳轉(zhuǎn)速；kopt為最佳功率系數(shù)，且有

對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)，其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)E滿足

式中，Ke為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Ф為永磁磁通。由此可得電機(jī)輸出相電壓V

式中，I為相電流；Rs為相繞組電阻；p為極對(duì)數(shù)；Ls為定子電感。

當(dāng)電機(jī)輸出采用二極管整流時(shí)，整流后的電壓（即圖2 中直流側(cè)電壓）Vdc可表示為

由式（5）～式（7）可得

由式（8）可知，因電機(jī)相繞組電阻Rs和定子電感Ls的影響，永磁同步電機(jī)輸出直流側(cè)電壓Vdc與轉(zhuǎn)速ω 呈非線性關(guān)系。然而，對(duì)于采用永磁同步發(fā)電機(jī)的中小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為簡(jiǎn)化機(jī)組功率控制，可對(duì)電機(jī)的整流電壓Vdc與其轉(zhuǎn)速ω 之間的關(guān)系進(jìn)行線性化近似，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器控制[13]。本文中采用的線性化近似方法為使線性化后的Vdc-ω 曲線更加接近機(jī)組在高風(fēng)速（也即高轉(zhuǎn)速）運(yùn)行時(shí)Vdc-ω 的關(guān)系曲線。這樣雖然在風(fēng)速較低時(shí)會(huì)因Vdc-ω 關(guān)系的近似偏差使機(jī)組無(wú)法運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，但由于此時(shí)機(jī)組發(fā)出功率較小，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)因近似而產(chǎn)生的低風(fēng)速區(qū)的功率丟失所占比例較小。近似后Vdc與ω 呈線性關(guān)系為

式中，kv為電壓轉(zhuǎn)速系數(shù)。

注意到機(jī)組運(yùn)行于最大點(diǎn)時(shí)有

式中，Pdcopt、Vdcopt與idcopt分別為機(jī)組最大功率運(yùn)行時(shí)的輸出功率、直流側(cè)電壓和直流側(cè)電流；η為機(jī)組效率。因此，聯(lián)立式（3）、式（9）與式（10）可知，機(jī)組運(yùn)行于最大功率點(diǎn)時(shí)直流側(cè)電壓和電流滿足關(guān)系

式（11）為本文所采用的實(shí)現(xiàn)MPPT 策略的最佳關(guān)系。由該式可知，只要能在任意風(fēng)速下得到機(jī)組的一個(gè)最大功率跟蹤運(yùn)行點(diǎn)（Vdcopt，idcopt），則可計(jì)算出最佳關(guān)系系數(shù)。之后，可基于所得的最佳關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)直流側(cè)的電壓和電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)組在額定風(fēng)速以下的MPPT 控制。綜上，本文提出的MPPT 策略實(shí)現(xiàn)可分為兩個(gè)步驟：①采用擾動(dòng)觀察法找到機(jī)組的最佳關(guān)系系數(shù)（定義為訓(xùn)練模式）；②運(yùn)用式（11）對(duì)機(jī)組實(shí)施基于最佳關(guān)系曲線的MPPT 控制（定義為應(yīng)用模式）。

圖4 所用風(fēng)力機(jī)CP-λ 曲線Fig.4 CP-λ curve of the adopted wind turbine

此外，考慮到式（11）所示結(jié)論是在直流側(cè)電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系的條件下推導(dǎo)得出的。圖4 給出了具有圖3 所示氣動(dòng)特性曲線的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下近似最佳關(guān)系曲線與理論曲線的對(duì)比圖。從圖4a 可看出，本文采用的近似關(guān)系只在較低風(fēng)速區(qū)與理論曲線出現(xiàn)較小偏差。而由圖4b 可知，因機(jī)組在低風(fēng)速區(qū)運(yùn)行時(shí)功率較小，本文因近似而產(chǎn)生的功率丟失甚小，可忽略不計(jì)。因此，本文采用的近似關(guān)系具有較好的精度，可用于對(duì)機(jī)組進(jìn)行MPPT 控制。

3.2 統(tǒng)一MPPT 控制策略的實(shí)現(xiàn)

由圖4b 可知，機(jī)組輸出功率也具有單峰特性，據(jù)此可得

式中，Pdc為機(jī)組輸出功率。

聯(lián)立式（12）和式（13）可得

且滿足關(guān)系

由式（15）可知，Pdc(k)也呈現(xiàn)單峰值特性，因此，可通過(guò)擾動(dòng)關(guān)系k 實(shí)現(xiàn)機(jī)組的MPPT 運(yùn)行。且一旦找到一個(gè)最大功率運(yùn)行點(diǎn)，即，則MPPT 模式轉(zhuǎn)為基于最佳關(guān)系的應(yīng)用模式。圖5 所示為改進(jìn)型MPPT 控制訓(xùn)練模式和應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)的原理框圖。圖6 所示為MPPT 策略的流程圖，圖5所示的MPPT 實(shí)現(xiàn)的最佳關(guān)系即由圖6 所示方法尋求得出。

圖5 MPPT 控制策略原理框圖Fig.5 Block diagram of the proposed MPPT strategy

圖6 改進(jìn)MPPT 策略控制流程圖Fig.6 Proposed MPPT strategy control flow chart

對(duì)圖6 所示的控制流程圖中幾個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行分析如下：

（1）判斷風(fēng)速情況。為避免傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)過(guò)程中因風(fēng)速變化帶來(lái)誤判斷導(dǎo)致跟蹤失敗的問(wèn)題[14]，本文提出的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法每次擾動(dòng)系數(shù)k 的前提為當(dāng)前風(fēng)速情況穩(wěn)定。這樣雖然導(dǎo)致跟蹤速度變慢，但由于訓(xùn)練模式只執(zhí)行一次，一旦找到最佳系數(shù)，控制方式轉(zhuǎn)為應(yīng)用模式。因此，訓(xùn)練模式中關(guān)注的重點(diǎn)為保證機(jī)組正確追蹤到最佳點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)比相鄰兩次檢測(cè)到的功率變化ΔPdc占發(fā)出功率Pdc的比值來(lái)進(jìn)行判斷，即滿足

時(shí)，認(rèn)為風(fēng)速穩(wěn)定。之后，可改變系數(shù)k，進(jìn)行擾動(dòng)尋優(yōu)。

（2）決定Δk 的擾動(dòng)方向。對(duì)系數(shù)k 進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，如Δk＞0，檢測(cè)到機(jī)組的輸出功率變化ΔPdc＞0，則繼續(xù)增大k；反之，則減小k，使Δk＜0。在風(fēng)速保持不變時(shí)，該擾動(dòng)策略可保證機(jī)組追蹤到最大功率點(diǎn)。然而，在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，風(fēng)速突變，如風(fēng)速掉落，Δk＞0 的擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致ΔPdc＜0，從而導(dǎo)致擾動(dòng)策略做出改變k 擾動(dòng)方向的決策，使得跟蹤失敗。

為解決此問(wèn)題，本文對(duì)擾動(dòng)策略進(jìn)行了改進(jìn)。由圖4a 可知，若關(guān)系曲線處于區(qū)域1，如位置1，則在k 擾動(dòng)到最佳系數(shù)之前，不管風(fēng)速增大或減小，均應(yīng)增加k，以保證k 沿正確方向擾動(dòng)；而當(dāng)關(guān)系曲線處于區(qū)域2 時(shí)，則應(yīng)減小k。因此，為保證擾動(dòng)更加趨向于沿正確方向進(jìn)行，改進(jìn)的擾動(dòng)策略對(duì)歷史的擾動(dòng)方向進(jìn)行了記錄，即設(shè)置一個(gè)n維的數(shù)組sign[n]對(duì)前n次擾動(dòng)方向進(jìn)行紀(jì)錄（n=0表示為當(dāng)前擾動(dòng)方向，n 取值為偶數(shù)以保證擾動(dòng)方向標(biāo)志總和為基數(shù)），且sign=+1，表示擾動(dòng)方向?yàn)棣＞0，sign=-1 表示Δk＜0，即

擾動(dòng)方向的和N 可表示為

如果N＞0，則說(shuō)明超過(guò)一半的擾動(dòng)為Δk＞0的擾動(dòng)，關(guān)系曲線k 最有可能處于區(qū)域1。因此，不論風(fēng)速如何變化，下一次將繼續(xù)保持Δk＞0。當(dāng)關(guān)系曲線k 擾動(dòng)到區(qū)域2 時(shí)，隨著擾動(dòng)次數(shù)增多，當(dāng)方向標(biāo)志超過(guò)一半為負(fù)時(shí)，N＜0，則說(shuō)明關(guān)系曲線k 最有可能已處于區(qū)域2，則擾動(dòng)方向反向?yàn)棣＜0。運(yùn)用本方法后，可有效避免擾動(dòng)過(guò)程中因風(fēng)速變化帶來(lái)的影響。

（3）決定Δk 的擾動(dòng)幅值。當(dāng)最佳關(guān)系曲線擾動(dòng)到接近最佳位置時(shí)，Δk 開(kāi)始出現(xiàn)振蕩。為消除功率脈動(dòng)，且使k 更接近，此時(shí)應(yīng)逐漸減小Δk 的擾動(dòng)幅值。擾動(dòng)幅值的減小策略采用了類似擾動(dòng)方向確定的方法，采用一個(gè)m 維數(shù)組Amp[m]用于記錄機(jī)組前m次所處的區(qū)域。m=0 用于表示k 當(dāng)前狀態(tài)，且 Amp[0]=+1，表示 k 當(dāng)前處于區(qū)域 1，Amp[0]=-1，表示k 當(dāng)前處于區(qū)域2。式（19）給出了數(shù)學(xué)表述

至此，擾動(dòng)幅值A(chǔ)mplitude 的更新規(guī)則為

因此，當(dāng)k 在最佳位置振蕩時(shí)，即在區(qū)域1 與區(qū)域2 之間切換時(shí)，Amp[m]將隨k 所處的區(qū)域逐漸更新為+1 及-1。由式（20）決定的擾動(dòng)幅值將逐漸減小，當(dāng)小于設(shè)定的門(mén)限Ath時(shí)，可認(rèn)為k 擾動(dòng)到最優(yōu)值。至此，訓(xùn)練模式停止，MPPT 轉(zhuǎn)為采用基于式（11）所示最佳關(guān)系曲線的應(yīng)用模式。

3.3 轉(zhuǎn)速限制的實(shí)現(xiàn)

隨著風(fēng)速的增加，機(jī)組的轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大。當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，為防止機(jī)組因過(guò)速而損壞，需對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制。本文采用對(duì)機(jī)組直流側(cè)電壓進(jìn)行限制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的限制。當(dāng)由式（14）決定的實(shí)現(xiàn)機(jī)組MPPT 運(yùn)行的直流側(cè)電壓基準(zhǔn)超過(guò)其額定值VdcN時(shí)，對(duì)其進(jìn)行限幅。此后，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，由于電壓基準(zhǔn)始終限制為額定值，機(jī)組轉(zhuǎn)速也將保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的限制。該模態(tài)的等效控制原理框圖可簡(jiǎn)化為圖7。

圖7 恒轉(zhuǎn)速控制框圖Fig.7 Constant speed control block diagram

3.4 功率限制的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速vN后，機(jī)組功率達(dá)到額定功率。為防止機(jī)組在額定風(fēng)速以上過(guò)功率損壞，需對(duì)機(jī)組實(shí)施恒功率控制。本文所提出的控制策略通過(guò)在高風(fēng)速區(qū)增大機(jī)組的輸出功率，迫使機(jī)組進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，通過(guò)減小機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組輸出功率的限定。由圖2 中所述控制策略可知，在額定風(fēng)速vN以上，由式（11）決定的直流側(cè)電壓基準(zhǔn)仍高于額定值，其輸出仍被限定為VdcN。但由于機(jī)組功率到達(dá)了額定值PN，PI1 開(kāi)始退出飽和，此時(shí)直流側(cè)電壓的實(shí)際參考給定為VdcN減去PI1 的輸出值Vcom，電壓基準(zhǔn)降低。經(jīng)調(diào)節(jié)器PI 作用后，機(jī)組直流側(cè)電壓下降，意味著機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低，機(jī)組進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，達(dá)到了限制機(jī)組功率的目的。該模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效控制框圖如圖8 所示。

圖8 恒功率控制框圖Fig.8 Constant power control block diagram

此外，圖8 所示的氣動(dòng)功率觀測(cè)器為基于文獻(xiàn)[15]中提出的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的改進(jìn)，如圖9 所示。圖中Trobs、Probs、ωobs、Vdcobs分別為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、氣動(dòng)功率、機(jī)組轉(zhuǎn)速以及直流側(cè)電壓的觀測(cè)值，J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該觀測(cè)器可較好地觀測(cè)機(jī)組的氣動(dòng)功率，其原理可參考文獻(xiàn)[15]分析，此處不贅述。

圖9 氣動(dòng)功率觀測(cè)器Fig.9 Aerodynamic dynamic power observer

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的全風(fēng)速范圍統(tǒng)一功率控制策略的正確性和有效性，將所研究的統(tǒng)一功率控制器分別用于兩臺(tái)具有不同參數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制。兩臺(tái)機(jī)組均采用圖2 中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（機(jī)組為離網(wǎng)形式），兩臺(tái)機(jī)組的參數(shù)見(jiàn)表1 和表2，風(fēng)輪的氣動(dòng)特性曲線分別如圖3 和圖10 所示。為使實(shí)驗(yàn)方便，實(shí)驗(yàn)中采用風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)來(lái)模擬真實(shí)風(fēng)輪的動(dòng)靜態(tài)特性，風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)不僅方便了在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而且可方便地模擬不同種類的風(fēng)況。其工作原理和正確性在前期的研究中已進(jìn)行了詳細(xì)分析和驗(yàn)證，這里不再詳述，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]。實(shí)驗(yàn)中所采用的系統(tǒng)控制參數(shù)見(jiàn)表3，其中1.2kW 機(jī)組輸出蓄電池為兩節(jié)12V/100A·h 的電池串聯(lián)，端電壓24V；10kW 機(jī)組輸出蓄電池為20節(jié)12V/100A·h 的電池串聯(lián)，端電壓240V。此外，為方便監(jiān)控及記錄機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)（包含系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)和相關(guān)波形），基于LABView 建立了一套良好的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，界面如圖11 所示。

表1 1.2kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of the 1.2kW WECS

表2 10kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.2 Parameters of the 10kW WECS

圖10 10kW 風(fēng)力機(jī)CP-λ 曲線Fig.10 CP-λ curve of a 10kW wind turbine

表3 實(shí)驗(yàn)中采用參數(shù)Tab.3 Parameters used in experiments

圖11 離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控界面Fig.11 Datum detecting system of the stand-alone WECS

圖12、圖13 給出了兩臺(tái)機(jī)組采用本文提出的統(tǒng)一功率控制策略時(shí)在階躍風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)曲線。從圖中可看出，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約30s 的訓(xùn)練模式尋優(yōu)后，k 尋找到最佳關(guān)系并保持不變，如圖12d、圖13d 所示。由圖12b、圖13b 所示的風(fēng)能利用系數(shù)變化可看出：當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下變化時(shí)，機(jī)組首先經(jīng)過(guò)訓(xùn)練模式尋求到CPmax，之后進(jìn)入應(yīng)用模式運(yùn)行以提高機(jī)組MPPT 速度，風(fēng)速在額定風(fēng)速以下變化時(shí)機(jī)組始終保持最佳風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了MPPT 運(yùn)行。此外，注意到在時(shí)間10～15s 區(qū)間，風(fēng)速出現(xiàn)掉落時(shí)，本文控制系統(tǒng)仍保持原來(lái)的擾動(dòng)方向不變，直到確定風(fēng)速確實(shí)出現(xiàn)了掉落后才改變擾動(dòng)方向，從而保證了風(fēng)速變化時(shí)擾動(dòng)方向的正確性，使機(jī)組更快地接近最佳點(diǎn)運(yùn)行。而隨著風(fēng)速的提高，當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到額定值時(shí)（如圖12 中90～120s 區(qū)段，圖13 中50～90s 區(qū)段），也即機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組實(shí)施恒轉(zhuǎn)速控制，直流側(cè)電壓保持額定值恒定不變，如圖12c、圖13c所示。而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后（如圖12 中120～150s 區(qū)段，圖13 中100～150s 區(qū)段），為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，控制策略通過(guò)降低機(jī)組的轉(zhuǎn)速（或直流側(cè)電壓）迫使機(jī)組進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，從而減小了機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)，進(jìn)而減小機(jī)組捕獲的功率，實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行。圖12、圖13 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的統(tǒng)一功率控制策略在全風(fēng)速范圍內(nèi)控制的有效性和通用性。

圖12 1.2kW 機(jī)組實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results performed by 1.2kW turbine under step-changing wind velocity

圖13 10kW 機(jī)組實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Experimental results performed by 10kW turbine under step-changing wind velocity

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文控制策略的正確性，對(duì)1.2kW 機(jī)組在隨機(jī)風(fēng)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖 14所示。在0～30s 區(qū)間，控制策略運(yùn)行于訓(xùn)練模式，以尋求最大功率運(yùn)行點(diǎn)；在30s 時(shí)刻，控制策略尋求到機(jī)組的最大功率點(diǎn)。此后，控制轉(zhuǎn)換為應(yīng)用模式運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組始終保持在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，如30～60s 區(qū)間，機(jī)組最大風(fēng)能利用系數(shù)始終保持最大值，如圖14b 所示。而隨著風(fēng)速增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速隨之增加，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制策略采用恒轉(zhuǎn)速控制，機(jī)組轉(zhuǎn)速保持不變，如圖14c 中60～70s 區(qū)段，機(jī)組直流側(cè)電壓保持恒定。而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，機(jī)組輸出功率達(dá)到額定值，為防止機(jī)組因過(guò)功率損壞，本文對(duì)機(jī)組在額定風(fēng)速以上實(shí)施恒功率控制。如圖14 中120～130s區(qū)段，該運(yùn)行區(qū)段中風(fēng)速大于額定風(fēng)速，控制策略通過(guò)降低機(jī)組運(yùn)行的轉(zhuǎn)速（直流側(cè)電壓，如圖14c所示）使風(fēng)能利用系數(shù)降低（如圖14b 所示），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的限制，如圖14e 所示。

圖14 1.2kW 風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)作用下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Experimental results of the 1.2kW turbine under random wind velocity

5 結(jié)論

本文提出一種適用于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的統(tǒng)一功率控制策略。該控制策略不需要預(yù)知風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性曲線就可實(shí)現(xiàn)機(jī)組低風(fēng)速區(qū)的最大功率跟蹤控制、高風(fēng)速區(qū)的限轉(zhuǎn)速和限功率控制，具有統(tǒng)一的功率控制性能。此外，控制策略不需檢測(cè)風(fēng)速和機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器控制，大大降低了控制的成本。為驗(yàn)證本文提出方法的正確性，將控制策略應(yīng)用到兩臺(tái)不同的機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出方法的正確性和可行性。

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