基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法

摘要

本发明涉及一种基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法，该方法应用于与小型风力发电机相连接的升降压变换器中，在小型风力发电机的每一工作周期中首先基于

说明书

技术领域

本发明属于新能源领域，具体涉及一种小型风力发电设备中使用的MPPT控制方法。

背景技术

目前，1～10KW的小型风力发电机发展速度较快，解决了无电、少电的农牧、渔民的基本生活用电问题。但是现有的大部分小型风力发电机的输出直接对蓄电池进行充电，使得风能利用系数很低，一般在0.3左右。

小型风力发电机的输出电压、电流、功率受风况和负载的变化影响，为了充分利用小型风力发电机发电，需要实时获取小型风力发电机最大功率，提高小型风力发电机的利用效率，对小型风力发电机进行最大功率点跟踪控制。如果充分地利用风力发电机最大功率点跟踪控制则可以提高年发电量20％～30％左右。

由于风速具有随机性和间歇性，并不总是在额定风速之上运行，风力发电机大多处在额定风速以下运行，因此需要在较宽的范围内保持最大功率点跟踪，从而提高风力发电机的利用效率，获取更多的能量。

小型风力发电机最大功率追踪方法很多，不同的应用方法在实际的使用过程中存在优缺点，基于占空比扰动观察方法，不需要测风装置，不需要知道风轮的空气动力特性，直接把占空比作为控制参数，减少了控制器设计的难度。

根据电路理论可知，在线性电路中，当外部负载阻抗与电源内阻阻抗成共轭时，可以获得最大输出功率，在小的时间间隔里，可以把整个系统看成是线性电路，DC/DC变换电路在MPPT中起到的作用实质就是一个阻抗变换器，起到阻抗变换的作用。即可以通过调整PWM信号的占空比D来调节斩波器的输入电阻，使其等于风力发电机阻抗的变化，因此DC/DC变换电路和负载电阻可以看成是外部阻性负载，可以通过调节DC/DC变换器来实现等效负载电阻，进而实现发电机输入、输出特性与负载阻抗匹配，使发电机工作在最佳工作点，从而控制风力机转速，实现最大功率输出，系统结构图如图1所示。

由于风速的随机性以及一些参数的不确定性，调整占空比D时存在着调整步长大小的选择问题。若步长过大，输出功率在最大输出功率P_max点附近波动就会加大，造成功率损失，降低风能转换效率，系统稳态误差变大；如果步长过小，跟踪时间就会变长，影响系统的动态响应速度。

小型风力发电机MPPT控制实际上是根据风速的变化来调节发电机达到最佳转速，小型风力发电机转轴上输入的机械功率大于发电机的输出功率时，发电机的转速就会增加；反之，转速则会下降。因此可以通过控制DC/DC变换器触发脉冲的占空比就可以调节小型风力发电机和负载的之间的功率传输关系，从而实现对发电机的转速控制，即增加触发脉冲的占空比，传输到负载上的电功率将增加，发电机输入的机械功率小于输出的电功率，转速就会减少；反之，减少触发脉冲的占空比，则传输到负载上的电功率也将减少，发电机输入的机械功率大于输出的电功率，转速就会升高。因此控制DC/DC变换器PWM信号的占空比就可以控制发电机的输出电功率，进而控制发电机转速。

传统的风力发电系统的DC/DC变换器大多采用降压变化器(Buck Chopper)或者采用升压变换器(Boost Chopper)，当风速较低时，直流电压很低，不利于利用风能；当风速较高时，直流电压又很高，不利于降压保护，所以无论升压或降压变换器都使得风力发电机MPPT工作在一个较窄的范围内。

由此可见，现有的小型风力发电机所采用的MPPT控制方法存在工作范围窄、稳定性较差、追踪响应速度较慢的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现风能追踪的较佳稳定性和较高响应速度，且能够在较宽的风速范围内进行追踪的基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法，用于对小型风力发电机进行最大功率点跟踪控制，所述基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法应用于与小型风力发电机相连接的升降压变换器中，在所述小型风力发电机的每一工作周期中均执行以下步骤：

步骤1：对所述小型风力发电机的第k个工作周期所输出电压U(k)和电流I(k)进行采样，接着执行步骤2；

步骤2：根据第k个工作周期采样的所述小型风力发电机输出的电压U(k)和电流I(k)计算其第k个工作周期的功率值P(k)，并进一步计算出第k个工作周期的功率值P(k)与第k-1个工作周期的功率值P(k-1)之间的功率偏差值dP(k)；计算第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)与第k-1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k-1)之间的占空比偏差值dD(k)，接着执行步骤3；

步骤3：根据第k个工作周期的所述功率偏差值dP(k)和所述占空比偏差值dD(k)得到第k个工作周期对应的P-D曲线斜率的采样值并对其进行低通滤波而得到滤波后的斜率值接着执行步骤4；

步骤4：比较所述滤波后的斜率值的绝对值与缩放系数K，若则执行步骤5，若则执行步骤6；

步骤5：确定采用定步长调节方式，并确定步长值ΔD(k)为预设步长D，接着执行步骤7；

步骤6：确定采用变步长调节方式，并根据调节系数L确定步长值ΔD(k)，接着执行步骤7；

步骤7：比较所述占空比偏差值的绝对值|dD(k)|与预设的第一正数阈值ε₁，若|dD(k)|＞ε₁，则执行步骤8，若|dD(k)|≤ε₁，则执行步骤13；

步骤8：判断滤波后的斜率值是否等于0，若是，则执行步骤9，若否，则执行步骤10；

步骤9：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)，接着执行步骤18；

步骤10：判断滤波后的斜率值是否大于0，若是，则执行步骤11，若否，则执行步骤12；

步骤11：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤12：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤13：比较所述功率偏差值的绝对值|dP(k)|与预设的第二正数阈值ε₂，若|dP(k)|≤ε₂，则执行步骤14，若|dP(k)|＞ε₂，则执行步骤15；

步骤14：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)，接着执行步骤18；

步骤15：判断所述功率偏差值dP(k)是否大于第二正数阈值ε₂，若是，则执行步骤16，若否，则执行步骤17；

步骤16：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤17：根据第k个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤18：将第k个工作周期中所述小型风力发电机输出电压U(k)和电流I(k)、所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)、滤波后的斜率值以及计算出的第k+1个工作周期中所述升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)进行赋值以供第k+1个所述工作周期计算使用。

所述步骤2中，dP(k)＝P(k)-P(k-1)，dD(k)＝D(k)-D(k-1)。

所述步骤3中，其中，a为滤波系数，为第k-1个工作周期中滤波后的斜率值。

a＜＜1。

所述步骤4中，所述缩放系数K的取值范围为[0.9,1.1]。

所述步骤5中，预设步长D＝D_max，D_max为最大跟踪步长。

所述步骤5或所述步骤6中，ΔD(k)≤1。

所述步骤6中，

所述步骤7中，所述第一正数阈值ε₁取值为0.01。

所述步骤13中，所述第二正数阈值ε₂取值为0.01。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提出了一种基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法，实现了风能追踪的高稳定性和高响应速度，采用升降压变换器(Buck-Boost Chopper)，它输出的电压不仅能高于也能低于或者等于输入侧的直流电压，直流调压范围大，工作风速范围广，能够最大限度利用风能，带负载能力强，能够在较宽的风速范围追踪最大风能。

附图说明

附图1为小型风力发电机MPPT系统结构图。

附图2为功率-占空比关系图。

附图3为本发明的基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法，应用于与小型风力发电机相连接的DC/DC变换器中，这里DC/DC变换器采用升降压变换器(Buck-BoostChopper)。

该基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法为：在小型风力发电机的每一工作周期中均执行以下步骤：

步骤1：使用电压传感器和电流传感器而对小型风力发电机当前第k个工作周期所输出电压U(k)和电流I(k)进行采样，接着执行步骤2。

步骤2：根据第k个工作周期采样的小型风力发电机输出的电压U(k)和电流I(k)计算其第k个工作周期的功率值P(k)＝U(k)×I(k)，根据第k-1个工作周期采样的小型风力发电机输出的电压U(k-1)和电流I(k-1)计算其第k-1个工作周期的功率值P(k-1)＝U(k-1)×I(k-1)，并进一步计算出第k个工作周期的功率值P(k)与第k-1个工作周期的功率值P(k-1)之间的功率偏差值dP(k)＝P(k)-P(k-1)；计算第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)与第k-1个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k-1)之间的占空比偏差值dD(k)＝D(k)-D(k-1)，这里第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)由第k-1个周期计算而得并在寄存器中赋值保存以供调用，接着执行步骤3。

步骤3：根据功率偏差值dP(k)和占空比偏差值dD(k)得到第k个工作周期对应的P-D曲线斜率的采样值并对P-D曲线斜率的采样值进行低通滤波而得到滤波后的斜率值其中，a为滤波系数，a＜＜1，为第k-1个工作周期中滤波后的斜率值，采用低通滤波器可以滤出因采样和环境变化而产生的噪音、尖锐的毛刺和波纹，接着执行步骤4。

步骤4：比较滤波后的斜率值的绝对值与缩放系数K，缩放系数K的取值范围为[0.9,1.1]，一般取1，从而将滤波后的P-D曲线斜率的绝对值与缩放系数K的比较结果作为由定步长过渡到变步长的触发条件。由附图2(风速V3>风速V2>风速V1)可以看出，P-D曲线斜率随着与功率最大点的距离的不同而变化，距离功率最大点越远，则滤波后的P-D曲线斜率的绝对值越大，距离功率最大点越近，则滤波后的P-D曲线斜率的绝对值越小。若则执行步骤5，若则执行步骤6。

步骤5：由于滤波后的P-D曲线斜率的绝对值较大，说明小型风力发电机较远离最大功率点，故确定采用定步长调节方式以获得更快的动态响应速度。确定步长值ΔD(k)为预设步长D，通常D＝D_max，D_max为最大跟踪步长，ΔD(k)≤1，接着执行步骤7。

步骤6：由于滤波后的P-D曲线斜率的绝对值较小，说明小型风力发电机在最大功率点附近，故确定采用变步长调节方式以获得较小的稳态误差。根据调节系数L确定步长值调节系数L一般取[0.01,0.05]范围内的值，ΔD(k)≤1，接着执行步骤7。

步骤7：比较占空比偏差值的绝对值|dD(k)|与预设的较小的第一正数阈值ε₁，第一正数阈值ε₁取值为0.01，若|dD(k)|＞ε₁，说明小型风力发电机功率输出有可能远离最大功率点处，需继续详细判断，则执行步骤8，若|dD(k)|≤ε₁，说明小型风力发电机功率输出很有可能在最大功率点处，需继续详细判断，则执行步骤13。

步骤8：|dD(k)|＞ε₁时，判断滤波后的斜率值是否等于0，若是，说明小型风力发电机功率输出在最大功率点处，则执行步骤9，若否，说明小型风力发电机功率输出远离最大功率点处，则执行步骤10。

步骤9：说明P-D曲线斜率为0，跟踪到最大功率点处，故根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)＝D(k)，不进行占空比调节，接着执行步骤18。

步骤10：当时，判断滤波后的斜率值是否大于0，以此来判断P-D曲线斜率的正负，若是，则执行步骤11，若否，则执行步骤12。

步骤11：说明P-D曲线斜率大于0，小型风力发电机占空比落后于最大功率点处占空比，需提高小型风力发电机的占空比来追踪最大功率，则根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号的应采用的占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD(k)，接着执行步骤18。

步骤12：说明P-D曲线斜率小于0，小型风力发电机占空比超过最大功率点处占空比，需降低小型风力发电机的占空比来追踪最大功率，则根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号的应采用的占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD(k)，接着执行步骤18。

步骤13：|dD(k)|≤ε₁时，比较功率偏差值的绝对值|dP(k)|与预设的较小第二正数阈值ε₂，第二正数阈值ε₂取值为0.01，若|dP(k)|≤ε₂，说明小型风力发电机功率输出基本在最大功率点处，则执行步骤14，若|dP(k)|＞ε₂，说明小型风力发电机功率输出远离最大功率点处，则执行步骤15。

步骤14：根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号应采用的占空比D(k+1)＝D(k)，不进行占空比调节，接着执行步骤18；

步骤15：判断功率偏差值dP(k)是否大于第二正数阈值ε₂，即在功率无变化或微弱变化时判断当前输出功率跟踪最大功率点的远近，若是，则执行步骤16，若否，则执行步骤17；

步骤16：dP(k)＞ε₂，说明在占空比无变化或微弱变化时，功率在增大，小型风力发电机占空比落后了最大功率点处的占空比，需增加小型风力发电机的占空比来追踪最大功率，则根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号应采用的占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤17：dP(k)＜-ε₂时，说明在占空比无变化或微弱变化时，功率在减小，小型风力发电机占空比超过了最大功率点处的占空比，需降低小型风力发电机的占空比来追踪最大功率，根据第k个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)和步骤5或步骤6中确定的步长值ΔD(k)，计算得到第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号应采用的占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD(k)，接着执行步骤18；

步骤18：将当前工作周期中小型风力发电机输出电压U(k)和电流I(k)、升降压变换器的PWM信号的占空比D(k)、滤波后的斜率值以及计算出的第k+1个工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比D(k+1)进行赋值并保存在寄存器中，以供下一工作周期使用，即将寄存器中的U(k-1)赋值为第k个工作周期U(k)，将I(k-1)赋值为第k个工作周期I(k)，将D(k-1)赋值为第k个工作周期D(k)，将赋值为第k个工作周期将D(k)赋值为计算出的第k+1个工作周期D(k+1)，则在第k+1个工作周期中利用U(k-1)、I(k-1)、D(k-1)、D(k)、以及新采样的U(k)、I(k)进行计算。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。