陳麗穎，劉彥輝，張煜麗

(1.綏化學(xué)院，黑龍江綏化152061;2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱150027)

風能作為發(fā)展最為迅速的可再生能源，已經(jīng)成為應(yīng)對能源危機和環(huán)境污染的重要手段，是當前國內(nèi)外研究的重點和熱點［1－2］。風力發(fā)電技術(shù)，因其政策和技術(shù)上的優(yōu)勢，成為可再生能源發(fā)電中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一［3－4］。小型風力發(fā)電機作為可再生資源被廣泛地應(yīng)用，并且其安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單，甚至可以安裝在家中。但是目前已有的小型風力發(fā)電機的發(fā)電效率低。為解決這一問題，大容量風力發(fā)電機采用一種能自動改變螺旋式葉片角度的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)可以有效地提高風力發(fā)電機的功率因數(shù)［5］，從而提高風能的利用。通常情況下，小型風力發(fā)電機安裝這種控制系統(tǒng)是不可能的。針對以上情況，風力發(fā)電機的葉片結(jié)構(gòu)可以隨風力條件而改變漿距角的方向。因此，通過對傳統(tǒng)的小型風力發(fā)電機的瞬時特性與具有被動改變?nèi)~片方向結(jié)構(gòu)的小型風力發(fā)電機進行對比，筆者提出了最大功率跟蹤點的控制方法。此外，由于小型風力發(fā)電機輸出的電壓很小，所以在兩臺或者多臺風力發(fā)電機并聯(lián)的情況下，必須考慮最大功率輸出的問題。根據(jù)風速變化，對各種風速下最大功率點進行研究。這種研究分別針對兩種情況，即大容量和小容量風力發(fā)電機的最大功率點。前者通過協(xié)調(diào)風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速或者通過學(xué)習非線性處理的方法［6－8］，例如模糊控制規(guī)則、智能記憶等來控制風力發(fā)電機輸出的功率，盡量使風能利用效率提高。而小型風力發(fā)電機的慣性小，輸出的電壓很容易隨著風速的變化而不斷地大幅度變化。由于這些原因，上述控制方法不適合小型風力發(fā)電機。這種結(jié)構(gòu)簡單的風力發(fā)電機是通過調(diào)整直流側(cè)的直流升壓斬波器的脈沖寬度的占空比，再通過二級管進入直流側(cè)，轉(zhuǎn)換成風力發(fā)電機的交流電壓［9－12］。無論風速怎樣變化，通過程序可以控制占空比;但是當風速不斷地發(fā)生不規(guī)則變化時，最大功率點的跟蹤是不能實現(xiàn)的。所以，當兩臺或者多臺風力發(fā)電機并聯(lián)時需要將風速固定不變。根據(jù)這一特征，最大功率跟蹤控制方法能夠使風力發(fā)電機快速調(diào)節(jié)到與最大功率點相對應(yīng)的風速。

1 最大功率跟蹤控制方法

1.1 小型風力發(fā)電機的瞬態(tài)特征

以Z－500L風力發(fā)電機為例，小型風力發(fā)電機具有根據(jù)風速方向的變化而改變漿距角方向的結(jié)構(gòu)，同時具有隨著風速的變化輸出的電壓很復(fù)雜的特征。Z－500L風力發(fā)電機輸出電壓如圖1所示。

從圖1可以看出，在某一時刻小型風力發(fā)電機輸出的電壓不固定，因此有必要對最大功率輸出點進行研究。圖2為利用樓群建筑中洞口的風速不同，風力發(fā)電機輸出的電壓圖形。通過圖形可知，測量結(jié)果有兩種模式:一、輸出的電壓增長非常緩慢;二、輸出的電壓增長非常迅速。

圖3描繪了傳統(tǒng)的風力發(fā)電機(以Aerogen為例)的輸出電壓的曲線圖。對比圖2和圖3可知，傳統(tǒng)的小型風力發(fā)電機輸出電壓在圖2中顯示的迅速增長模式是不存在的。

圖1 Z－500L不同時間不同風速輸出的電壓

圖2 風力發(fā)電機在風洞中不同風速下非負載情況下的輸出電壓

圖3 傳統(tǒng)的小型風力發(fā)電機輸出電壓圖形(以Aerogen為例)

圖4 風速為8.0m·s－1情況下輸出電壓隨負載變化情況

圖5 區(qū)分小型風力發(fā)電機兩種電壓模式的方法

從圖2和圖4可以看出，自動控制葉片式小型風力發(fā)電機輸出電壓變化模式既不受負載影響，也不受風速的影響。根據(jù)這種特征，本文提出一種最大功率跟蹤控制方法。

1.2 小型風力發(fā)電機的MPPT控制方法

在考慮負載和風速的條件下，小型風力發(fā)電機的最大功率在模式二中可以被有效獲得。如圖5中的模式二，當風速V(n)超過切入風速V切時，輸出電壓發(fā)生變化，得到

其中，β(n)=ΔV(n)/ΔT(n)，ΔV(n)是指 T(n+1)和 T(n)之間的電壓差，即 ΔT(n)=T(n+1)–T(n)，ΔT(n)是指MPPT的采樣時間。此種控制是通過公式以及控制程序協(xié)調(diào)輸出的電壓和電流值，從而使功率達到最大值，再測出最大值情況下的風速值。最大功率理論公式為

式(2)中的kp=(1/2)ρAη，ρ、A、η分別指空氣密度、風與葉片接觸的有效面積以及功率轉(zhuǎn)換因數(shù)。利用參數(shù) ρ=1.25kg·m－2，小型風力發(fā)電機Z －500L 中A=1.07m2，葉片直徑參數(shù)R=1.17m，效率 η =30%，測得kp=0.201?？赏ㄟ^實際操作進行驗證，根據(jù)式(2)計算得出的最大功率值與利用Z－500L實驗中獲得的最大功率是否相同。圖6(a)為風洞中不同風速下測得的輸出電流和電壓，從圖6(b)中可以看出最大功率能夠被獲得。

圖6 通過實驗證實MPPT控制方法的有效性

計算最大功率點對應(yīng)的電壓和電流，需要考慮電動勢系數(shù)Kb和葉尖速比λ這兩個參數(shù)，在設(shè)計風力發(fā)電機和它的葉片時是最重要的參數(shù)。葉尖速比為

其中，ω是風力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的角速度，n是轉(zhuǎn)動的數(shù)量。λ通常被設(shè)計成λop，即最大功率點時所對應(yīng)的葉尖速比，該系數(shù)表示風機的最大功率轉(zhuǎn)換效率。當風力發(fā)電機處于最大功率點時，設(shè)葉片的轉(zhuǎn)動速度為nop，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動速度為Nop，此時獲得的最大的電動勢電壓為

由于螺旋葉片的轉(zhuǎn)軸直接與風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連，所以nop=Nop，則λop可表示為

1.3 證實MPPT控制方法的有效性

在本實驗中風力發(fā)電機的參數(shù)λop和kb值分別被設(shè)計為16和1.392V/rps。ζ和ζ'計算值分別為3.03和0.06。

從圖7中各種風速下的最佳電壓與電流可以看出，理論值與實驗所得的數(shù)據(jù)基本一致，從而驗證了MPPT控制方法的有效性。

1.4 MPPT的控制程序

基于上述情況，小型自動控制葉片式風力發(fā)電機獲得最大的功率前提是考慮式(1)、(6)、(7)的情況，Z－500L的設(shè)計中ζ和ζ'的值分別為3.03和0.06，實驗中此值也一致。此外，通過辨別(1)式，計算出最大功率值ζ'。圖8是MPPT控制方法的執(zhí)行程序，通過檢測輸出的電壓V(n)、輸出電流I(n)和某時刻的風速v(n)時，可以檢測出v(n)是否大于v切，當檢測出風速比切入風速大時，MPPT控制程序開始執(zhí)行，首先是按照式(1)判別電壓在采樣時間的偏差與時間的微分的正負。當結(jié)果為正時，說明此時輸出電壓處于模式二中，MPPT控制程序開始執(zhí)行，執(zhí)行程序如圖9所示。通過式(2)和(6)，在n時刻風速為v(n)的情況下，可計算出最大功率Pmax(n)和最佳電壓Vop(n)，也計算出最佳的功率以及和輸出電壓相應(yīng)的電流。為了使風力發(fā)電機輸出的電流I(n)與計算出的Iop(n)一致，最佳電流控制器產(chǎn)生了一個參考電壓V*op(n)，然后最佳電壓控制器通過與主控系統(tǒng)相連的脈沖寬度直流斬波器來調(diào)整風力發(fā)電機的輸出電壓，最終使輸出電壓與V*op(n)一致。由于這種方法可以快速獲得無震蕩的最大功率，所以比較適合用于多個風力發(fā)電機并聯(lián)的情況。

圖7 最佳功率狀態(tài)下的電壓、電流理論值與實驗值的測量

圖8 MPPT執(zhí)行程序

圖9 MPPPT執(zhí)行控制系統(tǒng)

圖10 風速為11m·s－1時兩種模式及輸出功率曲線圖

2 證實MPPT控制的有效性

2.1 通過辨別程序模式驗證MPPT方法的有效性

首先，在模式二中利用MPPT控制方法獲得的最大功率。由圖10表明，風力發(fā)電機進入模式二中獲得的功率占據(jù)了圖中所有的面積。在程序執(zhí)行過程中，由判別(1)式為正值時進入模式二后，風力發(fā)電機會迅速啟動程序，獲得最大功率。如圖4，在模式一中風力發(fā)電機的輸出電壓會隨著負載的增加而逐漸減小。這種特征意味著在模式一中若使輸出電壓具有快速瞬態(tài)響應(yīng)特性，風力發(fā)電機必須保持在空載的狀態(tài)下才能獲得。將圖9中的開關(guān)器件Tr1關(guān)閉，系統(tǒng)處于非負載狀態(tài)直到開始辨別(1)式被滿足，模式二檢測開始，最大功率跟蹤控制程序開始執(zhí)行并很快獲得最大功率。從圖11(a)和(b)對比可知，MPPT程序執(zhí)行開始后，風力發(fā)電機可以很快地獲得比較大的電壓，由此可以獲得相對應(yīng)的最大功率。

2.2 驗證通過MPPT控制方法獲得的功率的正確性

圖12為風速從零開始增長到一定速度時輸出的電壓圖。大約經(jīng)過18s時，風速達到固定的值7.8m·s－1。在經(jīng)過12秒時，額定功率產(chǎn)生最大功率大約95W，它近似等于從式(2)中獲得的理論值。接下來，利用模擬檢測當風速發(fā)生改變時最大功率達到的時間。圖13表明，風速從5m·s－1變化到6m·s－1時的功率瞬態(tài)特征。風速為5m·s－1時輸出的最大功率約為24W，風速為6m·s－1時輸出的最大功率大約為45W。這表明無論在何種風速下執(zhí)行此規(guī)則都能獲得一個最大功率，MPPT控制規(guī)則獲得的最大功率與風力發(fā)電機在不同風速下獲得的功率一致，MPPT的控制方法有效。

圖11 帶有MPPT程序和不帶有MPPT程序控制的輸出電壓的對比

圖12 風速從零逐漸增大時獲得的輸出功率圖

圖13 風速迅速變化時的輸出功率

3 結(jié)語

帶有自動控制葉片式的小型風力發(fā)電機能夠隨著風速變化而輸出不同的電壓，而這種輸出電壓有兩種模式。通過研究對比，在帶有負載的情況下，最大功率只能在第二種模式中獲得。兩種模式的變化點會隨著風速的不同而發(fā)生變化，因此本文提出一種基于辨別兩種模式的MPPT控制方法。該方法可以強制性地使輸出功率匯集到最大功率點，從而找到最佳輸出電流。而此時的最佳電流是基于MPPT程序控制中的輸出電壓與輸出功率;此時的輸出電壓正比于風速，輸出功率正比于風速的立方。由于MPPT控制規(guī)則能夠很快地捕獲最大功率，所以可將其用于多并聯(lián)的小型風力發(fā)電機組中。

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