小型风力发电系统控制策略的研究

电气开关2012NO457文章编号1004289X2012040057一O4小型风力发电系统控制策略的研究方宁湖南铁道职业技术学院电气工程系，湖南株洲412001摘要简要介绍了小型风力发电系统的基本结构和工作原理，对小型风力发电系统的控制策略进行了概述，其中包括能量优化管理集成控制策略、扰动法最大功率控制、三点比较法控制。关键词小型风力机；控制策略；三点比较中图分类号TM71文献标识码BSTUDYONCONTROLSTRATEGYOFTHESMALLWINDPOWERSYSTEMSFANGELECTRICALENGINEERING，HUNANRAILWAYPROFESSIONALTECHNOLOGYCOLLEGE，ZHUZHOU412001，CHINAABSTRACTTHEPAPERINTRODUCESTHEBASICSTRUCTUREANDOPERATINGPRINCIPLEOFASMALLWINDPOWERGENERATIONSYSTEMBRIEFLY，THENINVESTIGATESTHECONTROLSTRATEGYOFTHESMALLWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，INCLUDINGENERGYOPTIMIZATIONMANAGEMEN，MAXIMTLMPOWERCONTROL，STATEAVERAGINGMETHODBASEDMODELINGANDTHREEPOINTCOMPARINGMANAGEMENKEYWORDSSMALLWINDTURBINE；CONTROLSTRATEGY；THREEPOINTCOMPARISON1引言近年来，小型风力发电机组推广应用范围不断扩大。除了传统的广大农牧区用户应用小型风力发电机组照明看电视以外，由于汽油、柴油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象、微波站等使用柴油发电的用户，逐步改用风力发电或风光互补发电。此外，生态环保公园、林荫小道、别墅庭院等地方，也购买安装小型风力发电机，作为景观，供人们休闲欣赏。本文对小型风力发电机的三种控制策略进行了研究。2能量优化管理集成控制策略21系统构成独立运行的小型风力发电系统一般包括能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节3部分。该系统采用定桨距风力机直接耦合永磁同步发电机方式，在二极管整流桥和蓄电池之间插入DCDC变换器实现能量控制。整个系统不使用测风速装置，发电机转速根据输出交流电压的频率或幅值与转速之间对应关系测量。风力机超速保护采用机械折尾翼限速与电气耗能电阻限速相结合方式，从而简化系统结构，降低成本，提高运行可靠性。图1小型风力发电机结构22能量流动分析小型风力发电系统中风力机捕获能量的传递方向始终是单向的，而发电机输出电能的流向根据外电路的变化有不同的方向。蓄电池的能量流动为两个方向，依据外电路的不同可以工作在充电或放电状态，蓄电池的充电和放电过程根据负载情况的不同随机进行动态调节。由于风能和负载的随机性，为最大限度地利用风能及保证蓄电池的合理工作状态，集成控制方案将根据系统的工作状态，合理调度能量流动。系统运行时，风力发电机输出功率P负载消耗功率P和蓄电池可以接受的充电功率P，三者之间关系及相应的控制模式见表L。58电气开关2012N04表1小型风力发电机能量流动关系23工作状态转换随着风速和负载不断变化，上述8种工作状态之间相互转换，通过检测对应的电压和电流可判断系统所处的工作状态，图2给出了小型风力发电系统的工作状态转换关系。由于工作状态转换是在能量合理调度的基础上完成的，而工作状态又包含最大功率跟踪控制、负载跟踪控制、蓄电池充放电控制及发电机超速保护控制等控制模式，该能量优化管理集成控制方案可以提高系统能量转换效率及改善蓄电池的工作状况，从而实现小型风力发电系统的优化及可靠性运行。A有风B无风A风速增大B风速减小CL负载小D负载大V一蓄电池电压低V蓄电池电压高图2小型风力发电机工作状态转换图3最大功率控制的扰动法J由于风机系统中蓄电池和电容的存在，使蓄电池输出电压基本保持恒定，因此调节斩波器输出电流就实现了对永磁发电机电磁功率的调节，斩波器具有变换阻抗的作用，通过控制斩波器的占空比，可以调节斩波器的输入电阻，实现发电机输入、输出特性与负载阻抗相匹配，使发电机工作在最佳工作点，从而控制风力机转速，实现最大功率输出。风力发电机的输出特性曲线如图3所示，从图中可以看出，最大功率的连线点划线将曲线族分为A和B两部分，最大功率控制扰动法的基本思想是在系统中注入小幅正弦波信号，此信号和控制器输出进行叠加，形成斩波器控制信号；控制器输出是通过在正弦波信号的极大点和极小点时刻分别对输出电流采样，利用采样值差的积分产生的。00破D0510一占空比图3小型风机的输出特性最大功率控制扰动法的基本原理如图4所示，设正弦波扰动信号的幅值为D，角频率为，当系统工作A区时，假定系统工作在A。点，其对应的占空比为D。，正弦波信号产生的扰动量在D和D之间连续变化，则此时瞬时占空比D为DDODSINILPL，一厂、厂只02“4竹一D1D占空比F一、L一卜UL211I一、一P3时，MPPT控制单元执行收稿日期20111219ADADDD；DLD2一AD；D3D2AD，如作者简介方宁I1971一，男硕士副教授，研究方向为自动化技术与新能源。图6所示。不。图6当PLP3的情况3当P1P2且P2P3时，MPPT控制单元执行D2D1；D1D2一AD；D3D2AD，女图7所图7当PP2且P2P3的情况这种算法在第一种情况和第三种情况时，也即第二工作点的功率值P离当前风速下对应的负载两端最大功率值点P较远时，我们采用类似于爬山算法的固定步长扰动，使工作点功率值能够快速地接近最大功率值点，提高系统响应的快速性；当第二工作点功率值较为接近当前风速下对应的负载两端最大功率值点P时，我们采用类似于变步长算法的变步长扰动，使工作点功率值能够更加精确细致地接近最大功率值点，从而满足系统精度的要求。上接第56页到12V输入的多相位数字电源应用设计。设计人员只需配置少量的外围元件MOSFET场效应管、电容、电感、电阻，就能灵活设计ZL2008控制的数字DCDC电源。电流共享技术更允许多个ZL2008装置并联连接给负载供电，能充分满足各种既要大电流又要同步降压转换功能和电源管理功能的数字电源应用。参考文献1昊康数字电源控制器与芯片应用J电源世界，20098465O2INTERSILAMERICASINCZL2008PRODUCTINFORMATIONEBOLHTTPWWINTERSILCORNPRODUCTSDEVICEINFOASPPNZL20083INTERSILAMERICASINCZL2008DATASHEETEBOLHTTPWWWINTERSILCORNPRODUCTSDEVICEINFOASPPNZI20084INTERSILAMERICASINCZL2008DIGITALDCDCCONTROLLERWITHDRIVERSANDPINSTRAPCURRENTSHARINGEBOLHTTPWWWINTERSILCORNPR