關(guān)菲菲　徐菲　付杰　朱剛

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機輸出特性，確定風(fēng)力機輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風(fēng)力機的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優(yōu)點，是當今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機最優(yōu)工作狀態(tài)，對最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機、發(fā)電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風(fēng)力機發(fā)出的交流電經(jīng)過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風(fēng)力機發(fā)電原理

風(fēng)力機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機部分和發(fā)電機部分組成。首先，風(fēng)力機吸收自然界中的風(fēng)能并推動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動，將流動的能量轉(zhuǎn)變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機繼而將機械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速的要求都十嚴格。風(fēng)速過小，風(fēng)力機無法啟動；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機有損壞的危險。風(fēng)力機有一個最低啟動風(fēng)速Vmin，用來克服起動初期風(fēng)力機自身扭轉(zhuǎn)帶來的摩擦（一般來說，起動風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風(fēng)速過大時，風(fēng)力機應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機都有一個規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機達到標稱功率輸出時的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機角速度，rad/s。

風(fēng)力機特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)，即總存在一個最佳角速度，使風(fēng)力機輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機的方式運行，因此發(fā)電機的機械角速度等于風(fēng)力機的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機械功率3 500 W。當風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機施加一個微小擾動，然后觀測風(fēng)力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點搜索，最終實現(xiàn)風(fēng)力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續(xù)增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續(xù)保持擾動；當系統(tǒng)處于D點時，繼續(xù)給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、Buck型變換電路、PWM信號發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設(shè)置合理的參數(shù)，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機時刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時的風(fēng)機進行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風(fēng)速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現(xiàn)了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過程中，風(fēng)力機輸出的功率迅速增大，當風(fēng)速達到10 m/s時，經(jīng)過一段時間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時，風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機和發(fā)電機中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對風(fēng)力發(fā)電來說，只有尋求風(fēng)力機的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風(fēng)力機最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機輸出特性，確定風(fēng)力機輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風(fēng)力機的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優(yōu)點，是當今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機最優(yōu)工作狀態(tài)，對最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機、發(fā)電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風(fēng)力機發(fā)出的交流電經(jīng)過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風(fēng)力機發(fā)電原理

風(fēng)力機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機部分和發(fā)電機部分組成。首先，風(fēng)力機吸收自然界中的風(fēng)能并推動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動，將流動的能量轉(zhuǎn)變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機繼而將機械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速的要求都十嚴格。風(fēng)速過小，風(fēng)力機無法啟動；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機有損壞的危險。風(fēng)力機有一個最低啟動風(fēng)速Vmin，用來克服起動初期風(fēng)力機自身扭轉(zhuǎn)帶來的摩擦（一般來說，起動風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風(fēng)速過大時，風(fēng)力機應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機都有一個規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機達到標稱功率輸出時的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機角速度，rad/s。

風(fēng)力機特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)，即總存在一個最佳角速度，使風(fēng)力機輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機的方式運行，因此發(fā)電機的機械角速度等于風(fēng)力機的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機械功率3 500 W。當風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機施加一個微小擾動，然后觀測風(fēng)力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點搜索，最終實現(xiàn)風(fēng)力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續(xù)增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續(xù)保持擾動；當系統(tǒng)處于D點時，繼續(xù)給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、Buck型變換電路、PWM信號發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設(shè)置合理的參數(shù)，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機時刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時的風(fēng)機進行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風(fēng)速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現(xiàn)了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過程中，風(fēng)力機輸出的功率迅速增大，當風(fēng)速達到10 m/s時，經(jīng)過一段時間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時，風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機和發(fā)電機中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對風(fēng)力發(fā)電來說，只有尋求風(fēng)力機的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風(fēng)力機最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。

摘要：根據(jù)建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，分析風(fēng)力機輸出特性，確定風(fēng)力機輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風(fēng)力機的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率；跟蹤；系統(tǒng)仿真；風(fēng)動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風(fēng)能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優(yōu)點，是當今開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源。然而，風(fēng)能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導(dǎo)致其能量密度較低。各種損耗使風(fēng)力機的實際轉(zhuǎn)換效率很低，大概維持在35%左右。在風(fēng)力發(fā)電過程中，提高風(fēng)能利用率及尋求風(fēng)機最優(yōu)工作狀態(tài)，對最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的原理及特性

獨立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機、發(fā)電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風(fēng)力機發(fā)出的交流電經(jīng)過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉(zhuǎn)換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風(fēng)力機發(fā)電原理

風(fēng)力機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，由風(fēng)力機部分和發(fā)電機部分組成。首先，風(fēng)力機吸收自然界中的風(fēng)能并推動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動，將流動的能量轉(zhuǎn)變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機繼而將機械能轉(zhuǎn)變成電能，并輸送給電力系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)力機輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每一臺風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速的要求都十嚴格。風(fēng)速過小，風(fēng)力機無法啟動；而風(fēng)速太大，則風(fēng)力機有損壞的危險。風(fēng)力機有一個最低啟動風(fēng)速Vmin，用來克服起動初期風(fēng)力機自身扭轉(zhuǎn)帶來的摩擦（一般來說，起動風(fēng)速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風(fēng)速過大時，風(fēng)力機應(yīng)立即停車，因此風(fēng)力機都有一個規(guī)定的最高風(fēng)速。該停機風(fēng)速被稱為切出風(fēng)速（也稱為最大工作風(fēng)速），一般為13 m/s。風(fēng)力機達到標稱功率輸出時的工作風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。

風(fēng)機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）。風(fēng)機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風(fēng)力發(fā)電機，槳距角β=0）；V為工作風(fēng)速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風(fēng)輪大小及工作風(fēng)速一定時，輸出功率只受風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，r/min；ω為風(fēng)力機角速度，rad/s。

風(fēng)力機特性通常用Cp和λ之間的關(guān)系表示，典型的Cp=f（λ）關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)maxCp，即最大輸出功率點。風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，根據(jù)公式（2）可知，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)力機的角速度有關(guān)，即總存在一個最佳角速度，使風(fēng)力機輸出的功率最大。

本研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機的方式運行，因此發(fā)電機的機械角速度等于風(fēng)力機的角速度。在Matlab中選擇風(fēng)力機模型，參數(shù)設(shè)定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風(fēng)速10 m/s；基本風(fēng)速下最大輸出機械功率3 500 W。當風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度連續(xù)變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉(zhuǎn)角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風(fēng)力發(fā)電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現(xiàn)采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風(fēng)力機施加一個微小擾動，然后觀測風(fēng)力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優(yōu)轉(zhuǎn)速點搜索，最終實現(xiàn)風(fēng)力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設(shè)系統(tǒng)工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統(tǒng)的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變?yōu)镻B；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續(xù)增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續(xù)保持擾動；當系統(tǒng)處于D點時，繼續(xù)給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統(tǒng)比對發(fā)現(xiàn)PD

這種控制方法既不需要測量風(fēng)速，也不需要知道風(fēng)力機精確的功率特性曲線。雖然風(fēng)力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響不大。

2.2 系統(tǒng)仿真

將風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、Buck型變換電路、PWM信號發(fā)生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設(shè)置合理的參數(shù)，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體模型如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)仿真分析

為將風(fēng)能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)使風(fēng)力機時刻處于最佳工作狀態(tài)，即風(fēng)力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統(tǒng)的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉(zhuǎn)角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩(wěn)輸出。分別對基本風(fēng)速不變和基本風(fēng)突然變化時的風(fēng)機進行最大功率跟蹤，基本風(fēng)速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風(fēng)速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風(fēng)速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現(xiàn)了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風(fēng)速快速增加的過程中，風(fēng)力機輸出的功率迅速增大，當風(fēng)速達到10 m/s時，經(jīng)過一段時間調(diào)整后輸出功率變得平穩(wěn)；當風(fēng)速突然降變?yōu)? m/s時，風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經(jīng)小幅震蕩后平穩(wěn)輸出該風(fēng)速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠?qū)崟r跟蹤風(fēng)速變化，使系統(tǒng)始終處于輸出最大功率運行狀態(tài)。

3 結(jié)論

風(fēng)力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風(fēng)力機和發(fā)電機中的各種損耗，使得風(fēng)能利用率較低。對風(fēng)力發(fā)電來說，只有尋求風(fēng)力機的最優(yōu)工作狀態(tài)、最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，才能提高風(fēng)能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風(fēng)速，也不需要掌握風(fēng)力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風(fēng)力機最佳旋轉(zhuǎn)角速度，實現(xiàn)基本風(fēng)速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風(fēng)能利用率提供借鑒。