基于模糊控制結合擾動觀察法的風力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略

李梓萌,李洪舉,馮 潔

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東青島266590；2.山東電力建設第二工程公司，山東濟南250100)

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基于模糊控制結合擾動觀察法的風力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略

李梓萌1,李洪舉2,馮 潔1

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東青島266590；2.山東電力建設第二工程公司，山東濟南250100)

分析了永磁風力發(fā)電機的輸出特性及最大功率點追蹤條件，針對其特點結合模糊控制法與擾動觀察法各自的優(yōu)缺點，提出一種基于模糊控制的多等級變步長擾動觀察方法，當外界風速發(fā)生突變時，首先利用模糊控制快速定位至最大功率點附近，再使用提出的多等級變步長擾動觀察法精確定位并使系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點處；仿真結果表明相比于傳統(tǒng)的變步長擾動觀察法，該方法能夠較快追蹤到系統(tǒng)最大功率，并能夠穩(wěn)定在該點，同時兼顧快速性與穩(wěn)定性。

風力發(fā)電；擾動觀察法；模糊控制；MPPT

0 引言

隨著電力需求的迅速增長，煤、石油、天然氣等常規(guī)資源日益枯竭，對電力系統(tǒng)可再生新能源的利用顯得尤為重要。風電無污染、取之不盡用之不竭的特點使之近年來備受關注[1]。

直驅式永磁風力發(fā)電機采用變速恒頻技術，提高了風電機組效率，機械傳動部件的減少降低了風力發(fā)電機組的噪音，提高了整機效率，同時降低了風力發(fā)電機組的運行維護成本[2，3]。但由于其風力機轉速只能以同步轉速運行，當風速變化時，風能捕獲效率不可能永遠保持在最佳值，造成了能量的浪費和效率的降低，因此追蹤最大風能以增加最大發(fā)電量的控制技術成為風力發(fā)電的關鍵技術之一[4，5]。

1 風力機模型及MPPT追蹤條件

風力機作為風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換裝置，將波動的風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能，根據(jù)貝茲理論，風力機提供的機械功率為：

(1)

式中:ρ為空氣密度，kg/m3；v為風速，m/s；R為風機葉片長度，m；Cp為風能利用系數(shù)。

由氣體動力學原理和相關試驗證明得出，風力發(fā)電系統(tǒng)中的風能能量轉換系數(shù)Cp與葉尖速比λ、槳距角θ存在著一定的函數(shù)關系：

(2)

(3)

式中：ω為風力機的機械角速度，rad/s；R為風力機的葉輪半徑，m。

由圖1風力機轉速與輸出功率曲線可知，當風速變化時，風速越大，相同轉速時風力機的輸出功率越大，當風速一定時，存在唯一的風力機轉速ωm使得輸出功率達到最大。

圖1 風機輸出功率與轉速關系曲線

由以上分析可知風力發(fā)電系統(tǒng)取得最大輸出功率的條件為：

(4)

亦可寫成如下形式：

(5)

式中：ωm為同步發(fā)電機轉速，rad/s；D為占空比；ωe為發(fā)電機角頻率。

在Boost升壓電路中，輸出電壓Uo與輸入電壓Uin的關系為：

(6)

可知：

(7)

風力機轉速ωm和角頻率ωe關系可表示為：

(8)

式中：p表示發(fā)電機極對數(shù)，可知：

(9)

永磁發(fā)電機相電流Ia與相電壓Ua滿足關系式

(10)

(11)

式中：ka表示電樞繞組匝數(shù)；永磁發(fā)電機磁通量φ為常數(shù)，可改寫為Ua=kbωe，kb為常數(shù)。三相不可控整流電路輸出電壓與發(fā)電機相電壓成比例：

(12)

(13)

由式(7)、(9)和式(13)推出：

(14)

由上述推導可以得知，可以將改變風機轉速來追蹤最大功率點轉化為控制Boost升壓電路PWM占空比D的方式，相比于控制風機轉速這一方式更易于操作。

2 改進的MPPT控制算法

2.1 模糊控制器原理及設計

圖2 模糊控制的三角隸屬度函數(shù)

圖3 最大風能模糊控制器

2.2 多等級變步長擾動觀察法原理及設計

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，擾動觀察法是最常用的最大風能跟蹤控制方式[7]，該方法按照一定的時間間隔每次固定增加或減小一個微小的功率變換器的驅動信號占空比ΔDm，并觀察占空比變化后光伏電池的輸出功率；然后將占空比變化前后的系統(tǒng)輸出功率進行對比來決定下一時刻占空比的變化趨勢(增大或減小)，這種方法雖然簡便易行，但若ΔDm設置較小則趨于最大功率點的效率會降低，若ΔDm設置較大則有可能在最大功率點處發(fā)生震蕩[8]。

現(xiàn)有的變步長擾動觀察法[9]為了應對風速發(fā)生突變的情況將占空比設為一大一小兩個等級，但這種方式由于步長區(qū)分并不明顯，導致在系統(tǒng)接近最大功率點時無法準確找到該點，從而使系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此本文提出一種改進的多等級變步長擾動觀察法，具體流程圖如圖4所示。

圖4 多等級變步長擾動觀察法流程圖

風力發(fā)電系統(tǒng)是一個復雜的控制對象，針對其時變、非線性、大慣性以及大滯后等特點[11]，本文將擾動觀察法與模糊控制法相結合，在風速突變時首先使用模糊控制算法快速定位到風機最大功率點附近，延時0.1 s后再使用本文提出的改進型多等級擾動觀察法使之穩(wěn)定在最大功率點處，在保證精確度的前提下提高了追蹤速度。

3 仿真驗證

利用MATLAB/simulink工具箱搭建風力發(fā)電部分的仿真模型[12]。設定風速初始值為7 m/s，風輪半徑2 m，槳距角為0°。系統(tǒng)采用obe23tb算法，仿真時間為5 s。在3 s時，風速由7 m/s變?yōu)?0 m/s。分別對采用原有變步長擾動觀察法、多等級擾動觀察法和模糊控制與擾動觀察法相結合方法對系統(tǒng)進行仿真，輸出功率如圖5至7所示。

圖5 變步長擾動觀察法輸出功率

圖6 多等級擾動觀察法輸出功率

從仿真結果可以看出，采用原有變步長擾動觀察法的輸出功率在風速突變時響應速度較慢，整個過程大約需要0.9 s，并且系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的過程中會不斷產生震蕩，可能會產生誤判，給系統(tǒng)帶來更大誤差。采用本文提出的多等級變步長擾動觀察法，能夠較快響應風速的變化，相比于原有變步長擾動觀察法，這一方法使得系統(tǒng)震蕩明顯減小，但是由于算法的局限性，在響應初期速度較慢。采用基于模糊控制的多等級變步長擾動觀察法，能夠使系統(tǒng)在風速變化初期響應速度加快，使系統(tǒng)穩(wěn)定的過程縮短到0.5 s，并且其輸出功率震蕩明顯減小，消除了誤判現(xiàn)象。

圖7 基于模糊控制的多等級擾動觀察法輸出功率

4 結論

文章由直驅永磁風力發(fā)電機的輸出功率特性，結合模糊控制與擾動觀察法控制提出基于模糊控制的多等級變步長擾動觀察MPPT控制方法，通過理論分析與仿真分析，驗證這一方法能夠實現(xiàn)風力發(fā)電機最大功率的追蹤，并同時兼顧了快速性和穩(wěn)定性，能夠在一定程度上提高風力發(fā)電系統(tǒng)的效率。

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The Research of MPPT Control Strategy Based on the P&O Method Combined with Fuzzy Control Method of Wind Power Generation System

LI Zimeng1, LI Hongju2, FENG Jie1

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China；2.The Second Engineering Company of Shandong Electric Power Construction,Jinan 250100,China)

This paper analyzes the output characteristics and maximum power point tracking conditions of the permanent magnet wind generator.In view of its own characteristics, combined with the advantages and disadvantages of the fuzzy control method and perturbation and observation method, a multi-level variable step perturbation and observation method based on fuzzy control is proposed in this paper.When the wind speed outside mutated, firstly, the quick voltage location near the maximum power point by using fuzzy control is conducted, and then the multi-level variable step perturbation and observation method proposed in this paper would be used to locate precisely and make the system stabilize at the maximum power point.The simulation results show that the method can quickly track the maximum power, and stabilize at that point, which is superior compared with the traditional variable step perturbation and observation methods by taking into account both rapidity and stability.

wind power；disturbance perturbation and observation method；fuzzy control；MPPT

2016-07-27。

李梓萌(1993-)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術，E-mail:1371261063@qq.com。

TM73

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10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.004