扰动观察法在小型风机MPPT中的仿真研究

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我国在风能的探究和利用过程当中，科研人员提出了许多改善风能利用率的新方法。在控制策略上，原有的定浆距慢慢向变浆距发展，但是这并不意味着定桨距将渐渐退出风力发电领域；相反，定桨距却-直在不断优化。由于变桨距意味着风机自身结构和控制过程将具有复杂性，这不可避免的产生了成本的大大提升。对于-些小型风力机而言，保证低成本才意味着其具有应用价值。因此，如何在不降低效率的情况下，实现低成本达到最大的经济效益成为当前研究小型风机的关键技术内容fl1，这就给定桨距发展提供了空间。主要研究当风速在额定风速范围内风机达到最大输出功率的跟踪控制方法。通过PSIM软件建立起的仿真模型，对仿真结果进行了分析。

2小型风力机特性分析2.1风机构成与理论由贝茨理论 ， G(windTurbine Generator)包括风力机与发电机，风力机有水平轴与垂直轴两种形式，以小型水平轴风力机作为研究对象。水平轴风机示意图，如图1所示。发电机转子直接连接风机转轴，不经过任何变速器，通常称为直驱型风力发电机月，对于风机未经齿轮箱的直驱式发电机的机械系统，其满足：4 订 (1)T.l- CrP'rR (2)A：丛 (3)式中：P( )-风机功率 ；A(m )-风机扫风面积； (m/s)-风速(kg/m )-空气密度；C 风机的功率利用系数 ； -风机气动转矩；c广风机的气动转矩系数；A-叶尖速度比；R(m)～ 叶片半径；r-叶片角速度。上述 A称为叶尖速度比，定义为半径为 的转子叶片在旋转时，叶片角速度tar与风速V的比值。

来稿日期：20l2lo-l4基金项目：浙江侍育厅重大科技攻关项It(ZD2009005)；浙江省自然科学基金青年基金项I(LQ12F03008)作者简介：钱苏翔，(1963-)，男，江苏泰州人，教授，主要研究方向：光为检测技术与信号处理、机电设备远程状态监测与故障诊断166 钱苏翔等：扰动观察法在小型风机 MPPT中的仿真研究 第 8期c 图 1水平轴风机示意图Fig.1 Horizontal Axis Wind Turbine Diagram从式(1)可以看出，风力机的机械输出功率主要与风力机的功率利用系数、叶片扫风面积、空气质量密度及迎风面正向风速有关。对于已安装完成的风力机，其输出功率主要撒于风速和风力机的功率利用系数。风力机的最大功率利用系数理论上最大只能达到0.593。在实际应用中，该系数与风速、风力机的转速以及风力机叶片参数有关。在浆距角口-定时，风力机的气动转矩利用系数 C 与叶尖速比A的关系，如图 2所示。图中，风力机最大的功率利用系数 对应有-个最优的叶尖速比A 。由于风速经常变化，为实现风能的最大捕获，使风机输出功率最大，风力机应变速运行，以维持叶尖速比A 保持不变。风力机输出功率 P、风速 和风机转速∞的关系曲线，如图3所示。因为风速无法控制，-般通过控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速I61，从而改变风力机的叶尖速比，实现最大功率跟踪。

JlIL甜A A图2气动转矩功率系数曲线Fig.2 Turbine Coefficient Curve风机转速 W图 3风机输出功率与转速关系Fig.3 Output Power and Rotate Speed Curve2.2永磁同步发电机及其控制风力机 永磁同步发电机风力机而言，去掉齿轮箱不仅降低了发电机的设计和制造成本，而且能有效提高发电系统的效率和可靠性，同时也降低了运行维护等费用，其连接方式，如图4所示。永磁同步发电机的参数分别为： 。 -6.5mH，R o.875/]，极对数 n12。

3小型风力机模型在 PSIM软件中首先按照上述公式建立风机仿真模型，如图5所示。主要参量分别为风速 、浆距角 、风机扫风面积半径 R、叶尖速比A、风能利用系数 C 、输出转矩 和输出功率 P，风力机模型采用 DLL来实现，DLL库通过 VC编程生成。在-定风速下，通过模拟控制发电机的转速，从而实现仿真不同叶尖速比下的风力机的运行情况。风力机模型的各个主要参数的设置，如表1所示。

windspeed WindT Windpowerwindmode1.dll图5风力机仿真模型Fig.5 Wind Turbine Simulation Model表 1风力机仿真参数Tab.1 W ind turbine simulation parameters风力机功率利用系数 C 与风速间关系的仿真结果，如图 6所示。由图6可以看出 C 随着风速增加而增大，但当风速达到-定值后，cP有-个明显的下降过程，直至保持输出功率恒定∩以看出风机在达到额定功率前和达到额定功率后，功率利用系数是-个先增加后减小的过程。

O.5-0.4籁0.31描旺熏0.2；L0.1 功率利用系数，， 、、 L- 1 Jf 、 llJ 、f 、Jl0 15 20风速 V(m/s)图6风速与风力机功率利用系数的关系曲线Fig.6 Wind Speed and Utilization Coeficient CurveNo.8Aug.201 3 机械 设 计 与制 造 1674功率跟踪控制仿真模型对于-个已经 寸定型的小功率直驱风力机而言，其叶片半径、浆距角、空气密度均为已知常量，输出功率只与功率利用系数C 和风速口有关系。因此分力机运行的主要设计思路就是：(1)当风速 小于启动风速 时，风力机的-个运行情况；(2)当风速 大于启动风速 且小于额定风速 时风机运行f青况；(3)当风速 大于额定风速 且小于风机安全风速 ，时风力机的运行隋况；(4)当风速超过安全风速 时风机的运行情况。自然界中风速是-个随饥不规则的变量，其中，扰动转速 察比较困难，转谴 是-个可以直接控制的量。采用扰动观察法跟踪输出功率阳。仿真中直接对 DC/DC电路的占空比进行扰动，在无风速传感器的情况，先将整流后的电压稳定在-定值，然后运行扰动观察法。通过测量风 机的输出功率是否等于额定值来判定风机的运行状态，其扰动跟踪控制流程图，如图7所以。首先对风机输出功率进行采样，并计算前后两次采样误差，判断误差的大校当误差大于 0时，减小占空比，当误差小于0时，增加占空比，每次占空比调节步长为，通过这样对占空比的重新调节，得到新的输出功率。占空比每次调节幅值为0.05。

r误差 E<0采样风机输出功率P周期采样P2丽 -/-、、吴差 EP2-P- --#误差E0进入下-次循环计算N误差 E>O占空比步长l I占空比不变f I占空比-步长占空比输出功率马图7扰动观察法跟踪控制流程图Fig.7 Perturbation and Observation Control Flow Chart图8 Boost升压电路 MPPT仿真图Fig.8 Boost Circuit of MPPT Simulation Figure当风速 大于额定风速 ：时，输出功率大于额定功率，此时负载控制接人，通过增加风机负载增加发电机电磁转矩，从而间接来改变风力机的转速，使得风机转速下降，输出功率降低，达到间接调整风机输出功率的目的，使其运行在额定值范围内。

为了验证所提方法的有效性，在 PSIM中进行了仿真模型来进行验证，其仿真图，如图 8所示。风力机在风速 1lm/s时其额定功率输出为5kW左右，仿真时间总共设置成风60s，在前 lOs～风速设为 12m/s，后面依次为 8m/s、10m/s、12m/s、14m/s、1lm/s。每十秒钟改变-次风速。同时将负载控制接人的时间设置为六个时间段的两种不同形式。分别是在每个风速段的前 5min，负载控制不接人 ，发电机电磁转矩不发生改变。而在每个风速的后 5s将负载控制接人，通过改变发电机电磁转矩，间接改变输出功率，比较前后控制的-个功率输出值，得出最佳功率控制曲线。

5仿真结果分析PSIM中建立起风力机仿真模型的具体参数见详，如表 1所示。通过在风速变化情况下分别对额定输出功率内外的各种情况进行仿真，得出如下仿真结果。在风速变化过程中，风力发电控制系统的各个主要物理量在负载控制接入前的变化规律曲线，如图9所示。图9中(a)～(f)分别展示的是未接人负载控制时风速 、负载控制接入时间 t、风力机转速 、风力机转矩 、叶尖速比A和风机输出功率P的变化曲线。从图9中可以看出，当风速增加时，风力机转速 ∞、风力机转矩 、叶尖速比A和风机输出功率 P都随着风速的增加而升高。

- ：j0 l0 20 30 40(a)风速 (m/s)匝五五面 名皇0 10 20 30 40 50 60(c)风机转速w(rad/s)O15t 101ooo05000O10 20 30 40 50 60(d)风机转速 N m)0 10 20 30 40 50 60(e)叶尖速比n0 10 20 30 40 50 60(f)输出功率 尸(w)时间t(s)图9控制负载接入前Fig.9 Simulation Figure Before I∞ad Control168 机械设计与制造NO.8Aug.201 3当风速 由高风速状态阶跃到低风速状态，再阶跃回升的过程中，每次风速变化都是-个跃变的过程，由于风力机机组的惯性，风速急剧变化都会引起风机的-个反应迟滞，风力机转速的变化远远跟不上风速 阶跃的变化，因此，在风速由 12m/s变化到 10m/s时，风力机转速O9会慢慢下降，而风力机气动转矩Tm则会立即下降，叶尖速比 也会先随风速的降低而急剧升高，待风力机运行平稳以后，叶尖速比A又会慢慢从降低状态恢复到正常值。

在风力机输出功率 P超出额定功率P衢(即 尸>P辆)后，控制负载接人系统，控制负载接入风力发电控制系统后的各个变量的变化曲线图，如图 10所示。从图 10中可以看出，当t0-5s的时候，风速v12m/s，风机输出功率在7kW左右。当t5～lOs时，控制负载开始运行，此时通过增加风机负载，使得风力机转速 降低，同时叶尖速比也随之下降。此时在整个控制过程中，叶尖速比随着风速的增加而增加，当风速达到-定值后，叶尖速比又随着风速的增加而下降。

1620 10 20 30 40(a)风速 (m/s)罨巨三三玛 l5lO5O100005000Ol0 20 30 40 5O 6o(e)叶尖速比n0 10 20 30 40 50 60(f)输出功率尸(w)时间 (s)图 1O控制负载接入后Fig.10 Simulation Figure After IJ0ad Control风速与风力机实际输出功率的-个关系曲线图，如图11所示。从图 11中可以看出，在将风速设定为 1lm/s，浆距角设为 0度时，其输出的最大功率在5kW左右。这也正好符合本仿真中的5kW 小型风力机在风速为 l lrds时输出功率达到额定功率 5kW左右。

5kw风机输出功率/， lr，，，，0 l0 l5 20风速 V(m/s)图 11风机风速 与输出功率P关系曲线Fig.1 1 Wind Speed and Output Power Curve6结论建立了风力机模型和风力机直驱永磁同步发电系统模型，并对模型进行分析和仿真。在风速改变的情况下，通过调节占空比实现风力发电系统的最大功率点跟踪控制。仿真结果表明，在风速变化时，系统能够很好的跟踪最大功率点，证明了仿真模型和控制方法的正确性。