劉 丹，李 強，馮承超

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小型直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機快速最大功率追蹤仿真研究

劉 丹，李 強，馮承超

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出直接受發(fā)電機轉(zhuǎn)速的影響。為了提高小型直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，通過分析風(fēng)力機的工作特性以及最大功率追蹤原理，指出經(jīng)典爬山法的缺點，并提出一種新的變步長爬山法。根據(jù)前一次轉(zhuǎn)速擾動和功率變化的梯度關(guān)系來決定下一次的擾動步長，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，擾動方向與經(jīng)典爬山法一致。在最大功率點附近，功率波動小于一定值時，停止搜索，來實現(xiàn)最大功率追蹤的快速性和穩(wěn)定性。用仿真結(jié)果驗證了該方法的可行性。

直驅(qū)式；風(fēng)力發(fā)電；永磁同步發(fā)電機；爬山法；梯度式變步長

0 引言

環(huán)境和能源問題逐漸成為制約社會發(fā)展的主要問題。風(fēng)能清潔，并且可再生，必定會在接下來的社會建設(shè)中發(fā)揮主要作用[1-3]。直驅(qū)式風(fēng)電機組，風(fēng)力機和發(fā)電機直接相連，相較于雙饋風(fēng)機，省去了齒輪箱，能節(jié)約成本，減少維護[4-5]。但是由于風(fēng)能利用的不穩(wěn)定性，給風(fēng)力發(fā)電再來了很多制約。因此最大功率追蹤技術(shù)(MPPT)的研究變得尤為重要。最大功率追蹤技術(shù)可以使得風(fēng)能最大限度轉(zhuǎn)換成電能[6-9]。

關(guān)于最大功率追蹤算法，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究，可以分為兩類，第一類是最優(yōu)曲線法，第二類是尋優(yōu)法，也叫爬山法、黑箱法[10-13]。第一類算法中典型的代表有：最佳葉尖速比法、功率信號反饋法、最佳轉(zhuǎn)矩法。這類算法雖然可以快速精準(zhǔn)地使發(fā)電機運行在最大功率點，但是該類算法需要安裝測風(fēng)裝置，需要明確知道風(fēng)力機的參數(shù)，這樣就會增加系統(tǒng)成本，而且對測風(fēng)裝置的準(zhǔn)確度要求較高。第二類算法中典型的代表有定步長爬山法和變步長爬上法。這種算法不需要測風(fēng)裝置，減小了機組成本，但是在最大功率點附近會有波動，會引起系統(tǒng)震蕩。此外，由于轉(zhuǎn)動慣量的影響，第一類算法比較適合應(yīng)用于轉(zhuǎn)動慣量大的大型機組；第二類算法比較適合應(yīng)用于與轉(zhuǎn)動慣量小的小型風(fēng)電機組。本文在分析了經(jīng)典爬山法的缺點的基礎(chǔ)上，提出一種新的變步長算法，并在Matlab/Similink軟件搭建直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果證明，新算法能快速穩(wěn)定地追蹤到最大功率點。

1 風(fēng)力機的工作特性

風(fēng)力是風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的重要裝置，獲取風(fēng)能的能力是衡量風(fēng)力機性能的重要指標(biāo)。風(fēng)力機的工作特性如下

其中，

(2)

(4)

2 最大功率追蹤原理

根據(jù)貝茨理論，p的極限值是0.593。為了使風(fēng)力機捕獲盡可能多的風(fēng)能，提高風(fēng)力機的機械效率，應(yīng)盡可能使p的值保持最大。由式(2)可知，當(dāng)槳距角一定的時候，p是的函數(shù)，也就是存在一個使得p最大，這個值我們稱之為最佳葉尖速比。而由式(3)可知在風(fēng)速和風(fēng)輪半徑一定的情況下又是轉(zhuǎn)速的單調(diào)函數(shù)，這就說明在一定風(fēng)速下，存在一個最佳的轉(zhuǎn)速使得p的值最大，而所謂的最大功率追蹤就是在一定的風(fēng)速下控制發(fā)電機運行在合適的轉(zhuǎn)速使得風(fēng)能盡可能地轉(zhuǎn)化為機械能，進而轉(zhuǎn)換成電能，提高能源的利用率。

2.1 經(jīng)典爬山法

前言中，爬山法比較適合運用在轉(zhuǎn)動慣量小的風(fēng)電機組，因此小型風(fēng)力機大多采用此類控制算法。下面我們介紹經(jīng)典的固定步長的爬山法。爬山法的具體思想是：由于盲人無法看到周圍的環(huán)境，要想上山只能依仗手中的拐杖去試探，若試探到身邊某一方向比較高時則前行，否則繼續(xù)換方向試探。只要找到更高的方向則前進，否則原地不動，停止尋找，當(dāng)前位置為最高位置，算法終止。結(jié)合圖1說明爬山法的具體步驟。

圖1風(fēng)力機某一風(fēng)速下轉(zhuǎn)速和輸出功率的關(guān)系

在某一個風(fēng)速下，功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系類似拋物線，我們可以給轉(zhuǎn)速施加擾動，從轉(zhuǎn)速和功率的變化來決定下一個時刻的轉(zhuǎn)速擾動量，直到找到最大的功率點。判斷條件一般分為四種情況。和分別代表第時刻和1時刻的轉(zhuǎn)速，和代表的是和1時刻的功率。

使用固定步長爬山法最終的結(jié)果是機組運行在最大功率點附近，存在波動。

2.2 梯度式變步長爬山法

由上文分析可知，經(jīng)典爬山法存在一定的缺陷，比如，固定步長擾動勢必造成剛開始擾動慢，而在接近最大功率點附近的時候又會有較大的波動。怎么樣又快又穩(wěn)地追蹤到機組運行的最佳工作點成為近年來研究人員研究的熱點。

圖2 梯度式變步長爬山法擾動示意圖

在追蹤最大功率點的時候，功率的變化逐漸減小，轉(zhuǎn)速的擾動也逐漸減小，在最大功率點附近，接近于零，當(dāng)功率的波動小于某一閥值，等于零，停止擾動，就能更快更穩(wěn)定地追蹤到最大功率點。

3 仿真研究

3.1 仿真模型的搭建

為了驗證上述算法的有效性和優(yōu)越性，我們根據(jù)圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在Matlab/Simulink搭建1 kW的小型直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

如圖所示，主電路在圖中虛線內(nèi)，控制模塊在虛線外。

圖3 系統(tǒng)主電路及其控制策略

3.2 仿真結(jié)果分析

0~1 s風(fēng)速為9 m/s，1 s的時候風(fēng)速階躍到11 m/s，直到2 s仿真結(jié)束。

圖4~圖8是仿真結(jié)果。

圖4 風(fēng)速階躍變化示意圖

圖5 固定步長爬山法Cp值

圖6 固定步長爬上法轉(zhuǎn)速變化示意圖

圖7 梯度式變步長爬山法Cp值

圖8 梯度式變步長爬上法轉(zhuǎn)速變化示意圖

由仿真圖可知，雖然兩種算法都可以追蹤到最佳的功率運行點，但是固定步長算法的轉(zhuǎn)速波動非常明顯，而且追蹤到最大功率點的時間也比較慢，而梯度式變步長算法不但很快地追蹤到最大功率運行點，而且轉(zhuǎn)速波動小。說明新算法有效且優(yōu)于固定步長法。

4 結(jié)論

經(jīng)過對風(fēng)力機工作原理的分析，說明了風(fēng)電系統(tǒng)最大功率追蹤的原理，并針對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)固定爬山法的不足，提出一種新的梯度式變步長的爬山法，搭建Matlab/Simulink實驗?zāi)Ｐ?，進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的仿真，證明了新算法的有效性和優(yōu)越性。

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(編輯 葛艷娜)

A simulation study of small direct drive type permanent magnet synchronous generator fast maximum power tracking

LIU Dan, LI Qiang, FENG Chengchao

(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Output power of direct drive permanent magnet synchronous generator (PMSG) system is directly influenced by the rotational speed of generator. In order to improve the output power of small-scale direct drive PMSG, through the analysis of working characteristics of wind turbine and the maximum power tracking principle, this paper points out the shortcomings of classical hill-climbing method and puts forward a new variable step hill-climbing method. Using the relationship between the speed disturbance of time and power change gradient to decide the next step disturbance can improve the system dynamic response, and the direction of disturbance is consistent with the classical hill-climbing method. In the vicinity of the maximum power point, when power fluctuation is less than a certain value, the search will be stopped to realize the quickness and stability of maximum power point tracking. Simulation results verify the feasibility of the method.

direct drive; wind power generation; permanent magnet synchronous generator; climb method; gradient variable step size method

10.7667/PSPC150723

2015-04-30；

2015-06-21

劉 丹(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為分布式電源與并網(wǎng)控制、配網(wǎng)自動化；E-mail: 1929736795@ qq.com 李 強(1969-)，男，博士，副研究員，主要研究方向為電力電子在新能源開發(fā)中的應(yīng)用、電機調(diào)速；馮承超(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電機控制，新能源開發(fā)。