离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其控制装置

摘要

本发明公开了一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其控制装置，该方法先测量发电机的转速及输出功率，然后通过爬山法及比例控制法分别计算占空比，将两个占空比叠加作为升压电路占空比，最后乘以开关周期计算升压电路功率开关器件的导通时间，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。所述装置包括发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块、输入电流采样电路模块、DSP控制电路模块、驱动电路模块、不可控的整流电路模块和升压电路模块。DSP控制电路模块计算并生成PWM控制信号，通过驱动电路模块控制升压电路模块的功率开关器件的通断。本发明的最大功率跟踪方法跟踪时间短，跟踪精度高，能有效提高离网型风力发电系统的发电效率。

说明书

技术领域

本发明属于离网型风力发电系统控制技术，具体涉及一种用于离网型风力发电系统的改进型最大功率跟踪方法及其装置。

背景技术

离网型风力发电系统是一种可以单独运行的风力发电系统，相对于并网型风力发电系统，具有配置灵活、控制简单等特点。在电网无法到达的边远地区，离网型风力发电系统得到广泛使用，可有效解决边远地区、海岛哨所、通信基站的用电问题。

离网型风力发电系统由风力机、发电机、控制器及负载组成。其中风力机的主要作用是捕获风能。风力机由风带动旋转，将风能转换成机械能并带动与之相连接的发电机旋转。发电机由风力机带动旋转，将风力机产生的机械能转换成电能。风力机与发电机的组合完成风能向电能的转换。离网型风力发电系统的控制器一般由不可控整流电路、升压电路、蓄电池充放电电路、逆变电路、电量检测电路、驱动电路及控制电路组成。控制器的作用是控制风力发电系统进行最大功率跟踪、蓄电池充放电管理、逆变控制及系统保护等等。

由于离网型风力发电系统在运行过程中存在发电效率低下的问题，因此设计性能良好的最大功率跟踪方法是成为提高离网型风力发电系统的发电效率的关键。

利用空气动力学理论分析风力机的运行过程，可以得知风力机的运行特性。其中，风力机的输出功率                                                可表示为：

                                                     （1）

上式中，表示空气密度；表示风能利用系数；表示叶尖速比；表示风力机风轮半径；表示风力机转速。其中，叶尖速比与风力机转速及风速相关。根据式（1）可得到在不同风速下，风力机的运行特性曲线如图2所示。从图2可以看出，风力机在每个风速下都存在一个最佳转速。在这个最佳转速之下，风力机能发出最大功率。这个工作点称为风力机的最佳工作点。

在风速固定的情况，如果风力机的工作点处于最大工作点的左端，只要增加风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加；如果风力机的工作点处于最大功率工作点的右端，只要降低风力机的转速，就可以使风力机的输出功率增加。因此，只要知道风力机当前工作点所处的位置，就可以对风力机转速做出相应的增减，实现最大功率跟踪。

目前常见的最大功率跟踪方法有爬山法。

爬山法的基本思想是根据风力机在运行特性曲线上的工作点位置，确定风力机转速的变化方向，逐步改变风力机转速，使风力机最终工作在最佳工作点。

风力机的工作点特征可分为四种情况：

下面用代表时刻的风力机输出功率、代表时刻的转速、用代表时刻的输出功率、代表时刻的转速。

情况一，且。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的左边且工作点向最大功率点移动，这时应继续增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

情况二，且。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的右边且工作点向最大功率点移动。这时应继续减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

情况三，且。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的右边且工作点远离最大功率点，这时应改变爬山方向，减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

情况四，且。这种情况表示风力机当前的工作点处于最大功率点的左边且工作点远离最大功率点。这时应改变爬山方向，增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

上述四种情况可进一步归纳为两种情况：

情况一，如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则增大风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

情况二，如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则减小风力机的转速，让风力机的工作点逼近最大功率点。

爬山法与风力机的特性无关，适应性较好，控制精度较高，但是爬山法的实质是根据功率的变化及转速的变化，按照一定的步长改变风力机的转速，其跟踪时间长、动态响应差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法及其装置，解决了一般的爬山法在面对外界风速快速变化时出现的跟踪时间长、动态响应差的缺点，从而加快最大功率跟踪的时间，改善一般爬山法的动态响应。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）利用控制装置检测风力发电机的转速及输出功率；

（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；

（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；

（4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。

 

所述步骤（2）中的爬山法为：

如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则减少占空比，即；

如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则增加占空比，即；

上述参数中：为本采样周期检测到的发电机转速为；为本采样周期计算得到的发电机输出功率为；上一个采样周期检测到的发电机转速；为上一个采样周期计算得到的发电机输出功率；为本采样周期计算的占空比；为上一个采样周期计算得到的占空比；为占空比变化步长。

 

 所述步骤（2）的比例控制法的计算公式为：，

上式中，为本采样周期检测到的发电机转速；为经过风力机功率曲线公式计算得到的在转速下的参考功率；为发电机输出功率；为比例系数；为本采样周期比例控制法计算得到的占空比；

其中，风力机功率曲线公式具体为：，

    上式中，为风力机额定功率；为风力机的额定转速；为风力机开始发出功率的转速。

 

离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，包括发电机、整流电路模块和升压电路模块，整流电路模块的输入端与发电机的三相输出端连接，整流电路模块的输出端与升压电路模块的输入端连接，升压电路模块的输出端与负载连接，所述整流电路模块的输出端连接有输入电流采样电路模块和输入电压采样电路模块，所述发电机的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块，所述发电机转速测量电路模块、输入电压采样电路模块和输入电流采样电路模块分别将发电机的转速、升压电路模块的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块，所述DSP控制电路模块根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块，所述驱动电路模块接收来自DSP控制电路模块的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块的功率开关器件的通断。

所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。

 

本发明的有益效果：

1.传统的爬山法采用逐步逼近的方式进行最大功率跟踪，在外界风速快速变化的时候，跟踪速度较慢，跟踪效率低。本发明在爬山法基础上引入比例控制，利用比例控制动态性能良好的优势，在外界风速快速变化，迅速将风力机工作点调整到最佳工作点附近，减少跟踪时间，提高跟踪性能。比例控制的引入灵敏地对风速的变化进行跟踪，提高风力机捕获风能的效率；

2.比例控制的功率曲线的获取简单易行。功率曲线的获取充分利用厂家提供的风力机及发电机参数，只需测量发电机在额定电压下的转速及风力机的额定功率、额定转速即可得到，省去一般功率曲线测量所需的风洞试验或风场试验，大大减少试验成本及试验时间。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的控制装置的结构框图。

图中：1、发电机转速测量电路模块；2、输入电压采样电路模块；3、输入电流采样电路模块；4、DSP控制电路模块；5、驱动电路模块；6、整流电路模块；7、升压电路模块；8、负载；9、发电机；10、DSP控制电路模块；11、驱动电路模块A；12、驱动电路模块B。

具体实施方式      

 如图1所示，离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法中所用的控制装置，包括发电机9、不可控的整流电路模块6和升压电路模块7，整流电路模块6的输入端与发电机9的三相输出端连接，整流电路模块6的输出端与升压电路模块7的输入端连接，升压电路模块7的输出端与负载8连接，所述整流电路模块6的输出端连接有输入电流采样电路模块3和输入电压采样电路模块2，所述发电机9的三相输出端连接有发电机转速测量电路模块1，所述发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2和输入电流采样电路模块3分别将发电机9的转速、升压电路模块7的输入电压和输入电流转换为弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块4，所述DSP控制电路模块4根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路模块7的占空比，并转换为升压电路模块功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5，所述驱动电路模块5接收来自DSP控制电路模块4的控制信号，控制信号经放大之后去控制升压电路模块7的功率开关器件的通断。

所述DSP控制电路模块4采用DSP-TMS320LF2407A型控制器，其中，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 DSP控制电路模块4主要完成改进型最大功率跟踪方法和PWM控制信号输出。首先对发电机转速测量电路模块1、输入电压采样电路模块2、输入电流采样电路模块3变换得到的信号进行采样，然后根据改进型最大功率跟踪方法实时计算出升压电路的占空比，再转换为升压电路模块7功率开关器件的导通时间，最后通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块5。

 

离网型风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）利用控制装置检测风力发电机的转速及输出功率；

（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的转速及输出功率参数，通过爬山法及比例控制法分别计算本采样周期的占空比；

（3）DSP控制电路模块将步骤（2）中的两个占空比叠加作为升压电路占空比，然后乘以开关周期得到升压电路功率开关的导通时间；

（4）步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，实现离网型风力发电系统的最大功率跟踪。

 

所述步骤（2）中的爬山法为：

如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则减少占空比，即；

如果且或者且，即功率变化量与转速变化量的乘积，则增加占空比，即；

上述参数中：为本采样周期检测到的发电机转速为；为本采样周期计算得到的发电机输出功率为；上一个采样周期检测到的发电机转速；为上一个采样周期计算得到的发电机输出功率；为本采样周期计算的占空比；为上一个采样周期计算得到的占空比；为占空比变化步长。

 

 所述步骤（2）的比例控制法的计算公式为：，

上式中，为本采样周期检测到的发电机转速；为经过风力机功率曲线公式计算得到的在转速下的参考功率；为发电机输出功率；为比例系数；为本采样周期比例控制法计算得到的占空比；

其中，风力机功率曲线公式具体为：，

    上式中，为风力机额定功率；为风力机的额定转速；为风力机开始发出功率的转速。