基于最佳葉尖速比的爬山法改進

周帥+于洪霞

摘 要：針對風速多變及外界干擾情況下風電系統出現的風能利用率低，直驅式風力發電系統中傳統爬山法最大功率跟蹤方法速度慢計算量大，并且在最大功率運行點抖動，葉尖速比法搜索出來的最大功率運行點不準確等傳統方法的缺點。為了實現在跟蹤效果，提出葉尖速比法與改進爬山法進行結合的辦法來加快搜索速度，并且使風力發電系統在最大功率運行點穩定運行減少抖動。

關鍵詞：風力發電；最大功率捕捉；爬山法；功率法反饋法

引言

風力發電作為一種新型的可再生能源，是世界范圍內增長較快的一種能源形式。但是，風力發電的基礎投資大，受自然條件制約，運行時風能利用率低等因素。這些難度制約著風力發電的發展。提高風能利用率，降低基礎成本尤為重要。對風電系統可靠性和效率要求也在不斷提高[1-2]。改善風力發電技術、提高風力發電機組效率即最大功率點跟蹤（MPPT）研究具有十分重要的意義，其中爬山算法以其實現方法簡單既不需要測量風速也不需要測量風機機械功率特性是目前應用廣泛的最大風能捕捉算法[3]。但是由于傳統爬山法計算量大，爬坡速度慢，在實際應用中具有很大的局限性[4-5]。同時，由于風力發電是一種間歇性能源，風電場的功率輸出具有很強的隨機性[1-2]。

1 風力發電最大功率捕捉原理

根據貝茲（Betz）理論，風輪機實際得到的功率與風速的三次方有關[4]。在風速v下運行時， 單位時間內捕獲的風能為

，

式中？籽為空氣密度（kg/m3），S為風葉輪掃過的面積（m3），R為風輪半徑（m），v為風速（m/s），？棕為轉速（rad/s），Cp（？姿，？茁）為風能利用系數反映了風輪機利用風能的效率，它是葉尖速比 λ和槳葉節距角 β的函數。

以上可知在一定的風速下風機輸出功率取決于數Cp（？姿），在不同的風速下只要控制風機轉速使得滿足葉尖速比？姿=？姿，可得到不同風速下最大功率，功率曲線如圖1所示：

在風力機運行時，要通過調節控制，進而實現跟蹤風力發電系統的最大功率點的目的。

2 結合葉尖速比法的爬山法改進

先使用最佳葉尖速比法確定爬山法初始角速度，之后以這一點為起始點進行最后的小范圍的爬山法，在使用爬山法的過程中通過不同風速初始步長根據表1數據分析選取不同的初始步長來進行實現。

根據對系統數據分析分析可以得到在風速為v（m/s），風速下運行要達到實際最大風能捕獲點所對應的轉速差△？棕（rad/s），如表1：

通過表格我們在4-6m/s時候，爬山法的出是擾動為0.3rad/s，之后每一步擾動都是前一步的0.5倍。6-8m/s，初始步長為0.4rad/s；8-10m/s初始擾動為0.7rad/s；10m/s到12m/s初始擾動為0.8m/s；提高收索速度，加強搜索精度。

3 實驗結果

在風場中驟變風速下采集10s風速飛速在3秒時由4.3m/s變為5.6m/s，再過3s變為7.9m/s。進行試驗正。

4 結束語

通過采用葉尖速比法節省了爬山法搜索的距離，所以在爬上搜索的過程中采用小擾動爬山法，同時在爬山的過程中，對每次爬山過程中加入的擾動都乘上衰減系數，在加快搜索過程的同時，來減少在最佳功率運行點出的震蕩。

參考文獻

[1]劉靜，陶曉峰.基于下垂特性的分布式發電系統的設計[J].電子測量與儀器學報，2011，25（7）：635-641.

[2]KIM H W.KIM S S，KO HS.Modeling and control of PMSG-based variable-speed wind turbine[J].Electric Power Systems Research，2010，80（1）：46-52.

[3]李俊峰，高虎，施鵬飛，等.2007年中國風電發展報告[R].北京：中國環境科學出版社，2007.

[4]趙仁德，王永軍，張加勝.直驅式永磁同步風力發電系統最大功率追蹤控制[J].中國電機工程學報，2009，29（27）.

[5]劉文洲，劉巡，李寧，等.直驅式風力發電機組綜述[J].長春工程學院學報，2015，16（4）：45-48.