小型民用風力發電系統最大功率跟蹤策略研究

關菲菲　徐菲　付杰　朱剛

摘要：根據建立的風力發電系統模型，分析風力機輸出特性，確定風力機輸出功率與風力機的角速度有關。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風力機的最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關鍵詞：風力發電；最大功率；跟蹤；系統仿真；風動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優點，是當今開發利用水平最高、技術最成熟、應用最廣泛的新型能源。然而，風能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導致其能量密度較低。各種損耗使風力機的實際轉換效率很低，大概維持在35%左右。在風力發電過程中，提高風能利用率及尋求風機最優工作狀態，對最大限度地將風能轉化為電能具有十分重要的現實意義。

1 風力發電的原理及特性

獨立的風力發電系統由風力機、發電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風力機發出的交流電經過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風力機發電原理

風力機是一種將風能轉換成為電能的能量轉換裝置，由風力機部分和發電機部分組成。首先，風力機吸收自然界中的風能并推動風力機轉動，將流動的能量轉變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統傳遞給發電機，發電機繼而將機械能轉變成電能，并輸送給電力系統。

1.2 風力機輸出特性

在風力發電系統中，每一臺風力發電機對風速的要求都十嚴格。風速過小，風力機無法啟動；而風速太大，則風力機有損壞的危險。風力機有一個最低啟動風速Vmin，用來克服起動初期風力機自身扭轉帶來的摩擦（一般來說，起動風速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風速過大時，風力機應立即停車，因此風力機都有一個規定的最高風速。該停機風速被稱為切出風速（也稱為最大工作風速），一般為13 m/s。風力機達到標稱功率輸出時的工作風速稱為額定風速。

風機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風能利用系數Cp（λ，β）。風機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風力發電機，槳距角β=0）；V為工作風速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風輪大小及工作風速一定時，輸出功率只受風能利用系數Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風力機轉速，r/min；ω為風力機角速度，rad/s。

風力機特性通常用Cp和λ之間的關系表示，典型的Cp=f（λ）關系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風能利用系數maxCp，即最大輸出功率點。風能利用系數Cp（λ，β）是關于葉尖速比λ的函數，根據公式（2）可知，風力機的輸出功率與風力機的角速度有關，即總存在一個最佳角速度，使風力機輸出的功率最大。

本研究的小型風力發電系統采用風力機直接驅動永磁同步發電機的方式運行，因此發電機的機械角速度等于風力機的角速度。在Matlab中選擇風力機模型，參數設定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風速10 m/s；基本風速下最大輸出機械功率3 500 W。當風速為10 m/s、風輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風輪旋轉角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風輪旋轉的角速度連續變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風力發電系統最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風力發電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風力機施加一個微小擾動，然后觀測風力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優轉速點搜索，最終實現風力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設系統工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變為PB；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續保持擾動；當系統處于D點時，繼續給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統比對發現PD

這種控制方法既不需要測量風速，也不需要知道風力機精確的功率特性曲線。雖然風力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風力發電系統影響不大。

2.2 系統仿真

將風力機、永磁同步發電機、Buck型變換電路、PWM信號發生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設置合理的參數，對風力發電系統進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風力發電系統的總體模型如圖5所示。

2.3 系統仿真分析

為將風能盡可能多的轉化為電能，應使風力機時刻處于最佳工作狀態，即風力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩輸出。分別對基本風速不變和基本風突然變化時的風機進行最大功率跟蹤，基本風速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統基本趨于穩定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風速快速增加的過程中，風力機輸出的功率迅速增大，當風速達到10 m/s時，經過一段時間調整后輸出功率變得平穩；當風速突然降變為8 m/s時，風機的旋轉角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經小幅震蕩后平穩輸出該風速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠實時跟蹤風速變化，使系統始終處于輸出最大功率運行狀態。

3 結論

風力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風力機和發電機中的各種損耗，使得風能利用率較低。對風力發電來說，只有尋求風力機的最優工作狀態、最大限度地將風能轉化為電能，才能提高風能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風速，也不需要掌握風力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風力發電系統進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風力機最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風能利用率提供借鑒。

摘要：根據建立的風力發電系統模型，分析風力機輸出特性，確定風力機輸出功率與風力機的角速度有關。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風力機的最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關鍵詞：風力發電；最大功率；跟蹤；系統仿真；風動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優點，是當今開發利用水平最高、技術最成熟、應用最廣泛的新型能源。然而，風能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導致其能量密度較低。各種損耗使風力機的實際轉換效率很低，大概維持在35%左右。在風力發電過程中，提高風能利用率及尋求風機最優工作狀態，對最大限度地將風能轉化為電能具有十分重要的現實意義。

1 風力發電的原理及特性

獨立的風力發電系統由風力機、發電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風力機發出的交流電經過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風力機發電原理

風力機是一種將風能轉換成為電能的能量轉換裝置，由風力機部分和發電機部分組成。首先，風力機吸收自然界中的風能并推動風力機轉動，將流動的能量轉變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統傳遞給發電機，發電機繼而將機械能轉變成電能，并輸送給電力系統。

1.2 風力機輸出特性

在風力發電系統中，每一臺風力發電機對風速的要求都十嚴格。風速過小，風力機無法啟動；而風速太大，則風力機有損壞的危險。風力機有一個最低啟動風速Vmin，用來克服起動初期風力機自身扭轉帶來的摩擦（一般來說，起動風速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風速過大時，風力機應立即停車，因此風力機都有一個規定的最高風速。該停機風速被稱為切出風速（也稱為最大工作風速），一般為13 m/s。風力機達到標稱功率輸出時的工作風速稱為額定風速。

風機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風能利用系數Cp（λ，β）。風機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風力發電機，槳距角β=0）；V為工作風速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風輪大小及工作風速一定時，輸出功率只受風能利用系數Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風力機轉速，r/min；ω為風力機角速度，rad/s。

風力機特性通常用Cp和λ之間的關系表示，典型的Cp=f（λ）關系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風能利用系數maxCp，即最大輸出功率點。風能利用系數Cp（λ，β）是關于葉尖速比λ的函數，根據公式（2）可知，風力機的輸出功率與風力機的角速度有關，即總存在一個最佳角速度，使風力機輸出的功率最大。

本研究的小型風力發電系統采用風力機直接驅動永磁同步發電機的方式運行，因此發電機的機械角速度等于風力機的角速度。在Matlab中選擇風力機模型，參數設定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風速10 m/s；基本風速下最大輸出機械功率3 500 W。當風速為10 m/s、風輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風輪旋轉角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風輪旋轉的角速度連續變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風力發電系統最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風力發電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風力機施加一個微小擾動，然后觀測風力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優轉速點搜索，最終實現風力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設系統工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變為PB；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續保持擾動；當系統處于D點時，繼續給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統比對發現PD

這種控制方法既不需要測量風速，也不需要知道風力機精確的功率特性曲線。雖然風力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風力發電系統影響不大。

2.2 系統仿真

將風力機、永磁同步發電機、Buck型變換電路、PWM信號發生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設置合理的參數，對風力發電系統進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風力發電系統的總體模型如圖5所示。

2.3 系統仿真分析

為將風能盡可能多的轉化為電能，應使風力機時刻處于最佳工作狀態，即風力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩輸出。分別對基本風速不變和基本風突然變化時的風機進行最大功率跟蹤，基本風速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統基本趨于穩定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風速快速增加的過程中，風力機輸出的功率迅速增大，當風速達到10 m/s時，經過一段時間調整后輸出功率變得平穩；當風速突然降變為8 m/s時，風機的旋轉角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經小幅震蕩后平穩輸出該風速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠實時跟蹤風速變化，使系統始終處于輸出最大功率運行狀態。

3 結論

風力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風力機和發電機中的各種損耗，使得風能利用率較低。對風力發電來說，只有尋求風力機的最優工作狀態、最大限度地將風能轉化為電能，才能提高風能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風速，也不需要掌握風力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風力發電系統進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風力機最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風能利用率提供借鑒。

摘要：根據建立的風力發電系統模型，分析風力機輸出特性，確定風力機輸出功率與風力機的角速度有關。采用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤，通過查找風力機的最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和變化時的最大功率跟蹤。

關鍵詞：風力發電；最大功率；跟蹤；系統仿真；風動機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0047-04

風能具有取之不盡、分布廣泛、無污染等優點，是當今開發利用水平最高、技術最成熟、應用最廣泛的新型能源。然而，風能受天氣影響嚴重，其固有的隨機性、間歇性特征，導致其能量密度較低。各種損耗使風力機的實際轉換效率很低，大概維持在35%左右。在風力發電過程中，提高風能利用率及尋求風機最優工作狀態，對最大限度地將風能轉化為電能具有十分重要的現實意義。

1 風力發電的原理及特性

獨立的風力發電系統由風力機、發電機、整流器、DC/DC變換器、逆變器、負載等組成。首先，風力機發出的交流電經過整流器件的整流作用，將電壓變成半周期變動的電壓，再由濾波電容將變動的交流電壓轉換成漸變的單向電壓源，最后，通過DC/DC變換器和逆變器對負荷進行供電。

1.1 風力機發電原理

風力機是一種將風能轉換成為電能的能量轉換裝置，由風力機部分和發電機部分組成。首先，風力機吸收自然界中的風能并推動風力機轉動，將流動的能量轉變成為機械能；然后，機械能通過傳遞系統傳遞給發電機，發電機繼而將機械能轉變成電能，并輸送給電力系統。

1.2 風力機輸出特性

在風力發電系統中，每一臺風力發電機對風速的要求都十嚴格。風速過小，風力機無法啟動；而風速太大，則風力機有損壞的危險。風力機有一個最低啟動風速Vmin，用來克服起動初期風力機自身扭轉帶來的摩擦（一般來說，起動風速為3～4 m/s）。出于安全考慮，當風速過大時，風力機應立即停車，因此風力機都有一個規定的最高風速。該停機風速被稱為切出風速（也稱為最大工作風速），一般為13 m/s。風力機達到標稱功率輸出時的工作風速稱為額定風速。

風機的輸出功率受很多因素制約，其中主要控制因素是風能利用系數Cp（λ，β）。風機機械輸出功率Pm的表達式為：

Pm=Cp（λ，β）ρπR2V3 （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m2；R為風輪半徑；λ為葉尖速比；β為槳距角（采用定槳距風力發電機，槳距角β=0）；V為工作風速。

從式（1）中可以看出：當空氣密度、風輪大小及工作風速一定時，輸出功率只受風能利用系數Cp（λ，β）的影響，而Cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數。λ可以表示為：

λ=2πRn/V=ωR/V （2）

式中：n為風力機轉速，r/min；ω為風力機角速度，rad/s。

風力機特性通常用Cp和λ之間的關系表示，典型的Cp=f（λ）關系如圖1所示。

從圖1可以看出，在Cp隨著λ的變化過程中，存在著一點λm，可以獲得最大風能利用系數maxCp，即最大輸出功率點。風能利用系數Cp（λ，β）是關于葉尖速比λ的函數，根據公式（2）可知，風力機的輸出功率與風力機的角速度有關，即總存在一個最佳角速度，使風力機輸出的功率最大。

本研究的小型風力發電系統采用風力機直接驅動永磁同步發電機的方式運行，因此發電機的機械角速度等于風力機的角速度。在Matlab中選擇風力機模型，參數設定為：輸出額定機械功率2 000 W；基本風速10 m/s；基本風速下最大輸出機械功率3 500 W。當風速為10 m/s、風輪半徑為2 m時，其輸出功率特性隨風輪旋轉角速度變化的曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當風輪旋轉的角速度連續變化時，輸出功率會隨之變化，且存在一個使輸出功率達到最大值的最佳旋轉角速度，這與之前的理論分析一致。

2 風力發電系統最大功率跟蹤

2.1 最大功率跟蹤原理

風力發電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多，現采用擾動觀察法。擾動觀察法的基本原理是：給風力機施加一個微小擾動，然后觀測風力機輸出功率的變化情況，通過比較當前功率值和之前功率值的大小來進行最優轉速點搜索，最終實現風力機輸出最大功率。

擾動觀察法的MPPT控制原理如圖3所示。其具體擾動方法為：設系統工作在A點，此時的角速度為ωA，功率為PA；給系統的角速度加上一個正向擾動Δω使其到達B點，則B點的角速度ωB=Δω+ωA，功率變為PB；如果檢測到擾動后的功率PB>PA，說明擾動方向正確，繼續增加一個角速度變量Δω使其達到C點，用同樣的道理繼續保持擾動；當系統處于D點時，繼續給它施加一個正向擾動Δω，功率為PD；若系統比對發現PD

這種控制方法既不需要測量風速，也不需要知道風力機精確的功率特性曲線。雖然風力機輸出功率會有小幅度波動，但對小型風力發電系統影響不大。

2.2 系統仿真

將風力機、永磁同步發電機、Buck型變換電路、PWM信號發生器、最大功率跟蹤控制器等模型連接起來，并設置合理的參數，對風力發電系統進行仿真研究。選用的擾動觀察法MPPT控制模塊如圖4所示，將其封裝成PWD模塊，風力發電系統的總體模型如圖5所示。

2.3 系統仿真分析

為將風能盡可能多的轉化為電能，應使風力機時刻處于最佳工作狀態，即風力機時刻輸出最大功率。為此，需要時刻追蹤系統的最大功率點，即尋找一個最佳旋轉角速度使輸出功率達到最大值，并使最大功率平穩輸出。分別對基本風速不變和基本風突然變化時的風機進行最大功率跟蹤，基本風速（10 m/s）不變時輸出的波形如圖6所示，基本風速由10 m/s變到8 m/s時的波形如圖7所示。

當風速為10 m/s時，對最大功率MPPT模塊進行追蹤，0.4 s后系統基本趨于穩定，電壓輸出和功率輸出是一條平滑曲線，實現了最大功率輸出，達到了捕捉最大功率的目的。

從圖7中可以看出：在風速快速增加的過程中，風力機輸出的功率迅速增大，當風速達到10 m/s時，經過一段時間調整后輸出功率變得平穩；當風速突然降變為8 m/s時，風機的旋轉角速度隨之驟降，輸出功率也迅速下降，經小幅震蕩后平穩輸出該風速下的最大功率，說明仿真模型中的最大功率控制模塊能夠實時跟蹤風速變化，使系統始終處于輸出最大功率運行狀態。

3 結論

風力資源固有的隨機性、間歇性特征決定其能量的捕獲比較困難，加之風力機和發電機中的各種損耗，使得風能利用率較低。對風力發電來說，只有尋求風力機的最優工作狀態、最大限度地將風能轉化為電能，才能提高風能利用率。最大功率跟蹤—擾動觀察法既不需要測量風速，也不需要掌握風力機精確的功率特性曲線，因此操作比較簡單。通過對風力發電系統進行建模，采用最大功率跟蹤—擾動觀察法查找風力機最佳旋轉角速度，實現基本風速不變和突變時的最大功率跟蹤，試圖為提高風能利用率提供借鑒。