一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法
【專利摘要】一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，根據風力機在不同風速下的轉速?輸出功率特性曲線，將其運行區域分為恒功率控制區和最大功率追蹤區。在恒功率控制區采用風速跟蹤控制方法，控制系統根據測風裝置觀測風速，然后按照其內部存儲的不同風速下風力機轉速?功率曲線輸出當前風速下的功率給定，最后通過功率閉環控制以快速地追蹤到接近最大功率點的速度。在功率閉環控制達到穩定后系統進入到最大功率追蹤區。在此區域內系統采用變步長爬山搜索來追蹤最大功率，以實現最大功率追蹤的快速性與準確性，同時引入一種停止措施和誤差控制機制，增強系統的穩定性。該最大功率追蹤控制方法綜合了風速跟蹤控制和爬山搜索的優點，使系統的穩定性、準確性和快速性得到提高，具有良好的工程應用價值。
【專利說明】
一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，屬于風力發電技 術領域。
【背景技術】
[0002] 開關磁阻發電機以其結構簡單(轉子上既無繞組也無永磁體），制造成本低，容錯 能力強，運行可靠性高，在較寬的轉速范圍內具有較高的效率，已經成功的應用于許多場合 尤其風力發電等環境惡劣場合。目前最大功率追蹤方法主要有風速跟蹤控制、轉速反饋控 制和爬山搜索。風速跟蹤控制法利用測風裝置觀測出當前的風速，然后依據風力機在不同 風速下的轉速-功率曲線輸出最大功率給定值或對應于最大功率的轉速給定值（最優轉 速），最后采用功率閉環或轉速閉環來調節開關磁阻發電機的相電流，通過控制開關磁阻發 電機的電磁轉矩使風力機運行在最優轉速并輸出最大功率。此方法簡潔明了，可以有效地 根據風速的變化及時調整開關磁阻發電機的輸出功率，但對風速測量和風力機的特性曲線 要求比較精確且保證風力機的各項參數不隨時間的推移而發生變化，顯然在自然環境下實 際運行的系統很難滿足要求。轉速反饋控制方法根據轉速以及風力機的特征參數計算出給 定功率，然后與實際發電功率的差值經過PI調節器后得到相電流限值，通過調節相電流的 大小來實現對開關磁阻發電機系統輸出功率的調節。該控制方法需要精確計算出系統的給 定功率，但由于在實際運行過程中很多損耗是無法準確計算且開關磁阻發電機的效率是變 化的，因此系統最終只會運行在最大功率點附近的次優狀態。爬山搜索法的主要思想是離 散迭代控制。在一定的風速下風力機的轉速-功率曲線是凸函數，因此在系統穩定時給控制 變量以微小的擾動，系統的輸出功率發生變化，若系統輸出功率增加則擾動方向正確，繼續 施加同方向的擾動，反之施加反方向的擾動，如此反復，風力機的工作點沿著功率特性曲線 移動到最大功率點并保持一定的波動。該控制方法對風力機的功率特性依賴較小，但在擾 動量和離散時間的設計上存在較大的困難，尤其很難解決擾動量與系統穩定性之間的矛 盾。當擾動量較大時雖然可以縮短到達最大功率點附近的時間，但無法避免系統在最大功 率點附近出現多次震蕩且無法避免在尋找最大功率點過程中出現風速變化使擾動量誤衰 減，無法找到正確的最大功率點，系統穩定性、可靠性較差，而當擾動量較小則會使系統調 節過程緩慢。此外恒定步長法采用固定的轉速擾動會導致轉速波動較大，當風速變化幅度 大時很難及時地追蹤到最優轉速，也很難抑制因風速噪聲引起的轉速波動。如何合理的對 開關磁阻風力發電機進行控制，實現追蹤最大功率的穩定性、高效性和快速性，是開關磁阻 風力發電系統研究的方向之一。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是克服現有最大功率追蹤方法的不足之處，綜合風速跟蹤控制和爬 山搜索的優點，提出一種效率高、可靠性強、穩定性好的開關磁阻風力發電系統最大功率追 蹤方法。
[0004] 一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法:一種開關磁阻風力發電系統 追蹤最大功率控制方法，其特征在于:根據風力機在不同風速下的轉速-發電功率特性曲 線，將其運行區域分為恒功率控制區和最大功率追蹤區；在恒功率控制區采用風速跟蹤控 制方法，控制系統根據測風裝置觀測風速，按照其內部存儲的不同風速下風力機轉速-功率 曲線輸出當前風速下的功率給定值，然后此功率給定值與系統實際發電功率的差值經過PI 調節器后得到的相電流限值與相電流比較產生控制信號，通過控制功率變換器主開關器件 的開通與關斷來調節發電功率，最終使系統輸出給定功率;在功率閉環控制達到穩定后系 統進入到最大功率追蹤區，在此區域內系統采用變步長爬山搜索法來追蹤最大功率，控制 系統根據相鄰時刻下系統穩態時發電功率的變化量及變化方向給出轉速擾動量及擾動方 向，然后在實際轉速的基礎上疊加轉速擾動輸出轉速給定，通過轉速閉環來調節開關磁阻 發電機的轉速使發電功率增加，如此重復，系統最終穩定運行在最大功率點上。
[0005] 控制系統輸出的功率給定與實際發電功率的差值經過PI調節器后輸出相電流限 值，當功率給定值與實際發電功率的差值超過系統設置的誤差允許范圍且功率給定值所對 應的轉速與實際轉速的差值也超過誤差允許范圍，則確定風速發生了突變，進行恒功率控 制區的變風速控制，否則功率給定值保持不變。
[0006] 控制系統輸出的功率給定值與實際發電功率的差值經過PI調節器后輸出相電流 限值，當功率給定值與實際發電功率的差值在系統設置的誤差允許范圍，功率閉環控制已 達到穩定狀態，系統進入最大功率追蹤區；在最大功率追蹤過程控制系統采樣母線電壓、勵 磁電流和續流電流，計算出此時刻系統穩定狀態的發電功率并與上一時刻系統穩定狀態的 發電功率相比較，給出下一時刻的轉速擾動量及擾動方向，其按照公式（1)計算，然后在實 際轉速的基礎上疊加轉速擾動得到下一時刻的轉速給定值，與實際轉速的差值經過PI調節 器后輸出相電流限值，通過調節相電流的大小使系統的實際轉速跟隨給定轉速的變化而變 化，如此反復，系統最終穩定運行在此風速下最大功率點所對應的轉速并輸出最大功率;公 式（]、隨1 XVU)1+1，ω定t+iH、」剡tfJ符巡東疋詛；ω〈t;定t時刻的實際轉速；Δ ω (t)是t 時刻的轉速擾動量;λ為轉速擾動量系數;P(t)為t時刻的發電功率;P(t_l)為t-i時刻的發 電功率;P(t_2)為t-2時刻的發電功率；ω (t)為t時刻的實際轉速；ω (t-Ι)為t-Ι時刻的實 際轉速；ω (t-2)為t-2時刻的實際轉速。
[0007] 系統在追蹤最大功率過程中風速發生了突變;若風速突變發生在恒功率控制區時 系統進行恒功率控制區的變風速控制，系統觀測變化后的風速，然后按照其內部存儲的不 同風速下風力機轉速-功率曲線輸出變風速下的功率給定值并進行功率閉環控制；當風速 突變發生在最大功率追蹤區時進行最大功率追蹤區的變風速控制;若在風速變化前系統正 在搜索最大功率，當風速發生變化后由于轉速擾動量不為零可以繼續追蹤最大功率;若風 速變化前系統已完成最大功率追蹤并以轉速ω穩定運行于最大功率點處且轉速擾動量為 零，當風速發生變化后，由于轉速調節器的作用，系統的轉速依舊保持為ω而風速的變化使 系統的輸出功率發生了變化，通過比較風速突變前后發電功率的變化大小，可以判斷出風 速的變化情況，進而重置轉速擾動量繼續搜尋變風速下的最大功率點。
[0008] 傳統的爬山搜索法在實際應用中會出現系統在最大功率點附近不停振蕩和風速 突變導致搜索方向發生誤判等問題，因此需要一些措施來改善其最大功率追蹤過程中的靜 態、動態性能。當開關磁阻風力發電系統由于轉速擾動量不為零而出現振蕩時，可以判斷出 此時風力機運行在最大功率點附近，其輸出功率與最大功率相差很小同時傳動軸系長期的 振蕩會對風力機機械部件造成較大的危害，因此為了避免系統在最大功率點附近不停振蕩 且在系統輸出功率損失很小的情況下引入一種停止措施，即當系統在最大功率點附近出現 振蕩且相鄰兩個時刻的發電功率變化很小，控制系統將轉速擾動量置為零從而停止搜索最 大功率，系統可以穩定運行在最大功率點附近。當開關磁阻風力發電系統穩定運行在某一 風速下的最大功率點時，轉速擾動量為零，由于風速的微小擾動使功率變化量不為零，系統 誤判為風速發生了變化，重置轉速擾動量而做出不必要的反應。為了避免此類情況引入誤 差控制機制，若輸出功率的變化量超過誤差允許范圍，則認為風速發生了變化，進行最大功 率追蹤區的變風速控制，否則應保持控制量不變。同樣在恒功率控制區時，當功率給定值與 實際發電功率的差值超過系統設置的誤差允許范圍且功率給定值所對應的轉速與實際轉 速的差值也超過誤差允許范圍，則確定風速發生突變，進行恒功率控制區的變風速控制，否 則功率給定值保持不變。
[0009] 有益效果：在現有最大功率追蹤方法的基礎上，本發明綜合風速跟蹤控制和爬山 搜索的優點，提出一種效率高、可靠性強、穩定性好的開關磁阻風力發電系統最大功率追蹤 方法，具有良好的工程應用價值。
【附圖說明】
[0010]圖1是開關磁阻風力發電系統的組成。
[0011] 圖2是風力機在不同風速下的理想轉速-功率特性曲線。
[0012] 圖3是功率閉環控制框圖。
[0013]圖4是最大功率追蹤控制框圖。
[0014] 圖5是恒功率控制區控制流程圖。
[0015] 圖6是最大功率追蹤區控制流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明的實例作進一步的描述： 開關磁阻風力發電系統主要由六部分組成:風力機、勵磁電源、開關磁阻發電機、功率 變換器、控制器和檢測裝置，如圖1所示。在該系統中，風力機拖動開關磁阻發電機旋轉，將 風能轉換為機械能。功率變換器作為能量轉化的通道，在勵磁階段外加的直流電源通過功 率變換器為相繞組供電；在續流發電階段相繞組通過功率變換器回饋能量。控制器是整個 系統的中樞部分，捕獲系統運行中的風速、電壓、電流以及轉子位置等信號，然后綜合處理， 控制功率變換器中主開關器件的開通與關斷。
[0017] (1)風力機理想轉速-功率曲線獲取。在實際風力發電系統中可以通過實驗室測量 或者現場測量與經驗輔助預先得到一組風力機的特性曲線，即在不同風速下風力機的轉 速-功率曲線。考慮到風力機實際應用環境的復雜性與多變性，此測量得到的風力機特性曲 線肯定不會是系統在真實環境下的轉速-功率特性曲線，但可以作為系統在特定風速下相 對接近最大功率特性運行點的特性曲線，稱為風力機的理想轉速-功率特性曲線。不同風速 下，風力機的理想轉速-功率特性曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，各風速下的理想轉速-功率特性曲線都是凸函數，g卩存在一個最大的輸出功率P max以及對應最大輸出功率的最優 轉速ω Cjpt。此外各風速的最大輸出功率Pmax和最優轉速ω Cjpt是不相同的，將不同風速下的最 大輸出功率點連起來，即得到風力機的最佳功率曲線。當風力機運行于最佳功率曲線上時， 風能轉換效率最高。因此當風速變化時為了使風力機能輸出最大功率，必須改變風力機的 轉速使之運行于最佳功率曲線上。
[0018] (2)功率閉環控制方案。將測量得到的風力機理想轉速-功率特性曲線存儲在控制 器中以便查表使用。上電后控制系統根據測風裝置觀測到的風速輸出功率給定值，此功率 給定值的設置要靠近最大功率點，以便系統在經過功率閉環后迅速進入到最大功率追蹤 區，加快系統搜尋最大功率點的速度。在實際應用中由于風速波動大、測風裝置的測量誤差 和理想轉速-功率特性曲線與真實轉速-功率特性曲線的偏離誤差使得實際的功率給定值 與理論設計的功率給定值存在偏差，因此需要一些措施來改善功率閉環控制的性能。首先， 風速測量要設置死區，即風速在設定的波動范圍內變化時默認風速保持不變，這樣可以避 免風速經常擾動對系統穩定性、可靠性的影響同時也可以精確的測量出風速的突變。其次， 設置功率誤差允許范圍，即當給定功率與實際發電功率的差值在系統允許的誤差范圍內， 認為系統已穩定運行并輸出給定功率，屏蔽了風速測量誤差和理想轉速-輸出功率特性曲 線測量誤差對系統的影響。功率閉環控制框圖如圖3所示，功率給定值P/與實際發電功率? 8 的差值經過PI調節器輸出相電流限值，與相電流比較產生功率變換器主開關器件的控制信 號。在圖3中發電功率的計算公式為：
式(2)中，Ig是續流電流的ig的有效值，是勵磁電流h的有效值，idPh可以分別通過 續流回路和勵磁回路的電流傳感器獲得;Ud。是直流母線電壓，可以通過電壓傳感器測量得 到。
[0019] (3)最大功率追蹤控制方案。系統在功率閉環控制達到穩定狀態后進入到最大功 率追蹤區，在此區域內采用變步長爬山搜索法來追蹤最大功率，其追蹤控制過程分為六個 步驟。
[0020] A、控制系統采樣t時刻的發電功率P(t)和轉速co(t)，若發電功率P(t)超過系統的 安全限值P/，則以安全限值P/為給定功率，進行功率閉環控制。若發電功率P(t)小于系統 的安全限值P/且轉速給定值ω (t)aim與實際轉速ω (t)的差值在誤差允許范圍，即I ω (t) aim_ ω (t) I〈 εi，則保存t時刻的發電功率P(t)和轉速ω (t)，并執行步驟B;若發電功率P (t)小于系統的安全限值P/且轉速給定值ω⑴aim與實際轉速ω (t)的差值超過系統設置的 誤差允許范圍，BP I ω (t)aim- ω (t) I X1，則重復執行步驟A。
[0021] B、判斷風速是否發生突變。若風速突變且發生在恒功率控制區，則進行恒功率控 制區的變風速控制，否則保持功率給定值不變;若風速突變且發生在最大功率追蹤區，則進 行最大功率追蹤區的變風速控制，否則進行恒風速最大功率追蹤控制。
[0022] C、使用已保存的數據(包括t時刻的發電功率P(t)，t_l時刻的發電功率P(t-l)，t-2時刻的發電功率P(t-2)，t時刻的實際轉速ω (t)，t-1時刻的實際轉速ω (t-1)，t-2時刻的 實際轉速《(t-2))通過公式(1)計算出轉速擾動量系數λ。
[0023] D、根據公式(1)，計算出t時刻的轉速擾動量Δ co(t)。
[0024] E、根據t時刻發電功率P(t)與t-1時刻發電功率P(t-1)的差值決定擾動方向。若IP (t)_ P(t_l)|>e且P(t)> P(t-l)，則繼續施加同方向的擾動;若 |P(t)_ P(t_l)|>e且P(t)〈 P(t-l)，則施加反方向的擾動;若|P(t)_ P(t_l)|〈e，表示系統已達到最大功率點附近，則 引入停止措施，將轉速擾動量△ ω (t)置零，結束最大功率追蹤過程使系統穩定運行在最大 功率點附近。
[0025] F、控制器在實際轉速的基礎上疊加轉速擾動并輸出轉速給定值ω (t+l)aim，系統 進行轉速閉環控制。
[0026] 最大功率追蹤控制框圖如圖4所示，控制系統采樣系統的母線電壓Ud。，續流電流" 和勵磁電流ie，計算出此時刻系統穩定狀態的發電功率P g(t)并與上一時刻系統穩定狀態的 發電功率?8(卜1)相比較，給出系統在下一時刻的轉速擾動量△ ω及擾動方向，然后在此時 刻轉速的基礎上疊加轉速擾動得到下一時刻的轉速給定值《(t+l)aim，與系統實際轉速ω 的差值經過PI調節器后輸出相電流限值i'通過調節相電流的大小使系統的實際轉速跟隨 給定轉速的變化而變化，如此反復，系統最終穩定運行在此風速下最大功率點所對應的轉 速并輸出最大功率。在此期間若發電功率超過安全限值P/，則以安全限值P/為給定功率進 行功率閉環控制。
[0027] 恒功率控制區的控制流程圖如圖5所示，其包括功率閉環控制和恒功率控制區的 變風速控制;最大功率追蹤區的控制流程圖如圖6所不，其包括最大功率追蹤控制、最大功 率追蹤區的變風速控制和功率閉環控制。
【主權項】
1. 一種開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，其特征在于:根據風力機在不 同風速下的轉速-發電功率特性曲線，將其運行區域分為恒功率控制區和最大功率追蹤區； 在恒功率控制區采用風速跟蹤控制方法，控制系統根據測風裝置觀測風速，按照其內部存 儲的不同風速下風力機轉速-功率曲線輸出當前風速下的功率給定值，然后此功率給定值 與系統實際發電功率的差值經過PI調節器后得到的相電流限值與相電流比較產生控制信 號，通過控制功率變換器主開關器件的開通與關斷來調節發電功率，最終使系統輸出給定 功率;在功率閉環控制達到穩定后系統進入到最大功率追蹤區，在此區域內系統采用變步 長爬山捜索法來追蹤最大功率，控制系統根據相鄰時刻下系統穩態時發電功率的變化量及 變化方向給出轉速擾動量及擾動方向，然后在實際轉速的基礎上疊加轉速擾動輸出轉速給 定，通過轉速閉環來調節開關磁阻發電機的轉速使發電功率增加，如此重復，系統最終穩定 運行在最大功率點上。2. 根據權利要求1所述的開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，其特征在于： 控制系統輸出的功率給定與實際發電功率的差值經過PI調節器后輸出相電流限值，當功率 給定值與實際發電功率的差值超過系統設置的誤差允許范圍且功率給定值所對應的轉速 與實際轉速的差值也超過誤差允許范圍，則確定風速發生了突變，進行恒功率控制區的變 風速控制，否則功率給定值保持不變。3. 根據權利要求1所述的開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，其特征在于： 控制系統輸出的功率給定值與實際發電功率的差值經過PI調節器后輸出相電流限值，當功 率給定值與實際發電功率的差值在系統設置的誤差允許范圍，功率閉環控制已達到穩定狀 態，系統進入最大功率追蹤區;在最大功率追蹤過程控制系統采樣母線電壓、勵磁電流和續 流電流，計算出此時刻系統穩定狀態的發電功率并與上一時刻系統穩定狀態的發電功率相 比較，給出下一時刻的轉速擾動量及擾動方向，其按照公式（1)計算，然后在實際轉速的基 礎上疊加轉速擾動得到下一時刻的轉速給定值，與實際轉速的差值經過PI調節器后輸出相 電流限值，通過調節相電流的大小使系統的實際轉速跟隨給定轉速的變化而變化，如此反 復，系統最終穩定運行在此風速下最大功率點所對應的轉速并輸出最大功率;公式(1)具體 為：式（1)中，ω (t+l)aim是t+1時刻的轉速給定值；ω (t)是t時刻的實際轉速；Δ ω (t)是t 時刻的轉速擾動量;λ為轉速擾動量系數;P(t)為t時刻的發電功率;P(t-1)為t-1時刻的發 電功率;P(t-2)為t-2時刻的發電功率；ω (t)為t時刻的實際轉速；ω (t-1)為t-1時刻的實 際轉速；ω (t-2)為t-2時刻的實際轉速。4. 根據權利要求1、2和3所述的開關磁阻風力發電系統追蹤最大功率控制方法，其特征 在于：系統在追蹤最大功率過程中風速發生了突變;若風速突變發生在恒功率控制區時系 統進行恒功率控制區的變風速控制，系統觀測變化后的風速，然后按照其內部存儲的不同 風速下風力機轉速-功率曲線輸出變風速下的功率給定值并進行功率閉環控制；當風速突 變發生在最大功率追蹤區時進行最大功率追蹤區的變風速控制;若在風速變化前系統正在 捜索最大功率，當風速發生變化后由于轉速擾動量不為零可W繼續追蹤最大功率;若風速 變化前系統已完成最大功率追蹤并W轉速ω穩定運行于最大功率點處且轉速擾動量為零， 當風速發生變化后，由于轉速調節器的作用，系統的轉速依舊保持為ω而風速的變化使系 統的輸出功率發生了變化，通過比較風速突變前后發電功率的變化大小，可W判斷出風速 的變化情況，進而重置轉速擾動量繼續捜尋變風速下的最大功率點。
【文檔編號】G05F1/67GK105843321SQ201610213727
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】陳昊, 竇宇宇, 王青, 楊明揚, 唐悅, 趙仁明, 顏爽, 齊亞文, 韓玉倩
【申請人】中國礦業大學