风力发电系统最大功率追踪控制研究

目录12068摘要 I4382Abstract II262611引言 110671.1课题的背景 1248031.2风力发电发展情况 1153631.2.1国外风力发电发展情况 1250241.2.2国内风力发电发展情况 2272301.3风力发电技术发展状况 2177791.3.1恒速恒频发电系统 2281841.3.2变速恒频发电系统 3154681.4本文的研究内容及研究意义 3222351.4.1本文的研究内容 373571.4.2本文的研究意义 3233502风力发电系统的分析与模拟 3164772.1风力发电的基本原理 3318442.1.1风力发电的基本原理 3241392.1.2贝茨(Betz)理论 4115972.2对风速的模拟与仿真 6322772.3对风力机的模拟与仿真 7160042.3.1风力发电机的空气动力学特性 7246562.3.2对风力发电机的模拟与仿真 880222.4直驱永磁同步发电机的模拟与仿真 12194492.4.1直驱永磁同步发电机的模拟 12174402.4.2直驱永磁同步发电机的仿真 13286482.5风力发电系统主电路拓扑 15175442.6本章总结 15165603风力发电系统最大功率追踪方法及仿真研究 1662233.1最大风能追踪的控制方法 16160323.1.1功率信号反馈法 16204313.1.2叶尖速比控制法 16114683.1.3三点比较法 16198203.1.4爬山搜索法 17187453.2三种爬山搜索法的分析 17285383.2.1传统爬山搜索法 17224443.2.2变步长爬山搜索法 18221213.2.3改进的爬山搜索法 1970813.3本章总结 1944034风力发电系统最大功率追踪仿真研究 209284.1风力发电系统的仿真 2026614.2三种爬山搜索法的MPPT仿真 2157314.2.1传统爬山搜索法的MPPT仿真 2187574.2.2变步长爬山搜索法的MPPT仿真 22320794.2.3改进的变步长爬山搜索法的MPPT仿真 2316654.3本章总结 256360结论 258121参考文献 2714934致谢 29Abstract…………………12068II262611Introduction 110671.1background 1248031.2developmentofwindpower 1153631.2.1developmentofforeignwindpower 1250241.2.2developmentofdomesticwindpower 2272301.3developmentofwindpowertechnology 2177791.3.1constantspeedconstantfrequencypowersystem 2281841.3.2VSCFwindpowergenerationsystem 3154681.4thecontentandsignificanceofthisstudy 3222351.4.1researchcontent 373571.4.2researchsignificance 3233502AnalysisandSimulationofwindpowergenerationsystem 3164772.1basicprincipleofwindpower 3318442.1.1Basicprincipleof2.1.1windpower 3241392.1.2Bates(Betz)theory 4115972.2simulationandSimulationofwindspeed 6322772.3simulationandSimulationofwindturbine 7160042.3.1Aerodynamiccharacteristicsofwindturbine 7246562.3.2SimulationandSimulationofforwindturbine 880222.4simulationandSimulationofpermanentmagnetsynchronousgenerator 12194492.4.1Simulationofdirectdrivepermanentmagnetsynchronousgenerator 12174402.4.2Simulationofdirectdrivepermanentmagnetsynchronousgenerator 13286482.5maincircuittopologyofwindpowergenerationsystem 15175442.6thischaptersummarizes 15165603maximumpowertrackingmethodandSimulationofwindpowergenerationsystem 1662233.1maximumwindenergytrackingcontrolmethod 16160323.1.1powersignalfeedback 16204313.1.2tipspeedratiocontrolmethod 16114683.1.3threepointcomparisonmethod 16198203.1.4mountainclimbingsearch 17187453.2Threeanalysisofclimbingsearchmethods 17285383.2.1traditionalclimbingsearchmethod 17224443.2.2variablestepclimbingsearchmethod 18221213.2.3improvedclimbingsearchmethod 1970813.3thischaptersummarizes 1944034maximumpowertrackingsimulationofwindpowergenerationsystem 209284.1simulationofwindpowergenerationsystem 2026614.2ThreeMPPTsimulationofkindsofmountainclimbingsearchmethod 2157314.2.1MPPTsimulationoftraditionalmountainclimbingsearchmethod 2187574.2.2MPPTsimulationofvariablestepsizeclimbingsearchmethod 22320794.2.3MPPTsimulationofimprovedvariablestepsizeclimbingsearchmethod 2316654.3thischaptersummarizes 256360Conclusions 258121References 2714934Acknowledges 29风力发电系统最大功率追踪控制研究摘要：本课题设计风力发电机的最大功率追踪控制（MPPT）系统，通过分析几种MPPT控制策略的特点，选取合适的算法，获得最大功率输出。本文首先介绍了课题的研究背景及其意义。其次为了方便实验室研究，开展了模拟风速，以及用直流电动机模拟风力机特性的研究工作。本文介绍了几种最大功率的控制方法：功率信号反馈法、叶尖转速比控制法、三点比较法、爬山搜索法，重点介绍了爬山搜索法，然后又对比分析了三种爬山搜索。通过仿真研究，得出改进的变步长爬山搜索法具有跟踪稳定、效率更高的结论。关键词：风力发电；最大功率追踪控制；模拟风速；直流电动机；模拟风力机Researchonmaximumpowertrackingcontrolofwindpowersystem(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018)AbstractThisarticlefirstintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofthesubject.Second,inordertofacilitatelaboratoryresearch,carriedoutsimulatedwindspeed,windturbinecharacteristicsandresearchworkwithaDCmotorsimulation..Thisarticledescribesseveralmethodstocontrolthemaximumpower:powersignalfeedbackmethod,thetipspeedratiocontrolmethod,threecomparativelaw,climbingsearchmethod,thisarticlefocusesontheclimbingsearchmethod,andthenanalysesandcomparesthreeclimbingsearchmethods.Throughsimulationstudies,thisarticleconcludesthattheimprovedvariablestepclimbingsearchmethodhastrackingstabilityandhigherefficiency.Keywords：WindPower；MPPT；Simulationofwindspeed；DCmotor；Simulationofwindturbine1引言1.1课题的背景随着世界经济的发展，能源的消耗逐渐增加，同时由于煤炭、石油的大量使用，工业有害物质的排放量与日俱增，并且煤炭、石油等常规能源逐渐枯竭。因此，保护环境和缓解能源危机刻不容缓。为了实现这一目的，解决环境问题，缓解能源危机，造福子孙后代，世界各国开始寻求和探索可再生能源的开发和利用[1]。风能在可再生能源中是有潜力、廉价的能源。风力发电进入大发展阶段是从90年代开始的。利用风能这样的可再生能源也是走可持续发展道路，建设和谐社会、和谐世界的重要一环。1.2风力发电发展情况1.2.1国外风力发电发展情况19世纪末，风力发电机组首先由丹麦人研制成功，紧接着，世界各国开始探索研究，直至今天，世界上越来越多的国家致力于风力发展。欧洲的装机容量是全球各地装机容量最大的地区，预计在15年之后一半的欧洲人口将会使用风力发电。在欧洲以外，大力发展风电的国家主要有美国、中国、印度、加拿大和日本等。到目前为止，已有82个国家正在积极发展风力发电[2]。目前，全球风力发电累计装机容量在逐年增长，根据全球风能协会(GWEC)统计，2013年，全球风力发电总装机的容量为318105MW，如表1-1所示。

表1-12004年至2013年全球风力发电累计装机容量年份（年）累计装机容量（MW）200447，620200559，091200673，938200793，8892008120，6242009158，9752010198，0012011238，1262012283，1942013318，105根据风力发展国的规划，对于未来，风电仍有很大发展空间。以欧洲为例，到2020年计划实现可再生能源占到总发电量的20％，其中风电占到12％。目前，主要国家的风电覆盖率均处于比较低的水平，而且全球平均风电仅占总发电量的1．19％。从总体来看，美中印以及欧的风电市场增长非常迅速。1.2.2国内风力发电发展情况面对环境污染和资源短缺的压力，我国迫切需要走出一条有中国特色的新型能源发展道路[3]，实现可持续发展。我国的风力发电事业起步较晚，但在国家的支持下，风力发电取得了快速发展。在1983年，山东荣成引进了风电机组，我国开始了风电场的运转试验。利用风能并网发电在我国已经开展了30多年，但风电仍未走出“试验”的阶段。截至目前，我国风电场总装机容量为56.7万千瓦，仅占全国装机的0.14%。我国风能资源丰富，主要分布在新疆、内蒙古，也分布在东部至东南沿海地带及岛屿。在陆上，能开发利用的风能储量，在2.53亿千瓦左右；在海上，能开发利用的风能储量，在7.5亿千瓦左右。1.3风力发电技术发展状况风电技术也逐渐成为一些科研人员研究的热点。风力发电的整个系统的核心是将机械能转换为电能的过程，因此风力发电技术研究的一个重点，就是研制一种发电机系统，这种系统要有利于风电的转换。风力发电过程中,当风电机与电网并联运行时,电网和风电的频率要一致,也就是说风电频率要保持恒定。对于风力发电系统，包括：恒速恒频发电机系统、变速恒频发电机系统。1.3.1恒速恒频发电系统对于单机容量，恒速运行方式多用于600~750千瓦的风电机组，由于笼型异步发电机能直接从电网中获得励磁功率[4]，因而多采用笼型异步发电机。

通常，恒速风电机组包括：变桨距风力机、定桨距失速型风力机。前者控制风力机输出功率的方法是利用风轮叶片的变桨距进行调节；而后者控制风力机输出功率的方法由风轮叶片完成-通过风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，可是这种风力机成型工艺难度较大。笼型异步发电机属于恒速恒频的风力发电机是因为具有以下特性：在并网后，电网频率决定发电机磁场旋转速度；异步发电机转子转速变化不大。1.3.2变速恒频发电系统在变速恒频发电方式下，风力机工作在变速运行状态，风轮的转速随风速变化，保持在一定的最佳叶尖速比上，并且在额定风速以下的整个运行范围内使风力机的风能利用系数处于最大值，因而，与恒速运行方式相比，有较大的优势。对于不同风速区，这种变速机组都能适应，因而风力发电的地域范围得以拓宽，并且能吸收大量风能并储存起来，这样对于主轴及传动机构，就不会承受很大的扭矩及应力。通过电力电子装置的调频，调压等将风能产生的电能并入电网，同时，风力机组也会在安全与平稳的状态下运行。一般来说，对于风力发电机，有四种变速恒频控制方案：（1）鼠笼式异步发电机风电系统；（2）无刷双馈发电机风电系统；（3）交流励磁双馈发电机风电系统；（4）永磁发电机风电系统[5]。1.4本文的研究内容及研究意义1.4.1本文的研究内容本文研究的是风力发电系统最大功率追踪控制研究，具体内容如下：（1）熟悉风力发电系统的构成和MPPT的含义；（2）分析比较目前的MPPT算法的理论知识；（3）采用Matlab/Simulink进行仿真分析，确定各种MPPT算法的优缺点；（4）采用合适的MPPT算法，在新能源并网实验室中进行实验，验证算法的有效性。1.4.2本文的研究意义由于环境问题与资源问题的加剧，风电技术得以迅速发展，并且世界各国在政策上对可再生能源发电也越来越重视，风力发电将快速发展。从能量转换角度看，风力发电由两部分构成：（1）将风能转换为机械能；（2）将机械能转换为电能。实现最大风能追踪的方法并确定相应的控制策略，使风力发电的效率提高，风能的利用率就得以加强，进而减少了人类对煤炭、石油等资源的依赖，达到了保护环境与缓解能源危机双重目的，也能更好地造福子孙后代，实现可持续发展，因而具有很大的研究价值与研究意义。2风力发电系统的分析与模拟2.1风力发电的基本原理2.1.1风力发电的基本原理对于现在的风车技术，每秒三米左右的风速，就能发电。风力发电原理图如下图2-1所示。将风的动能转换为机械能是风轮的职能，由于对于风轮，它的转速较低，风力的大小、方向也时常变化着，这样就会形成不稳地转速，因此，须附加一个齿轮变速箱，再带动发电机，把转速提高，到达发电机额定转速，再在发电机上加一个调速机构，为使转速保持稳定。风轮始终对准风向，进而获得最大功率。变频器变频器基础控制系统保护装置传动系统发电机塔架电网变压器图2-1风力发电原理图2.1.2贝茨(Betz)理论[6]贝茨理论得以建立依据的假设条件是：风轮是理想的。图2-2贝茨(Betz)理论示意v1为叶片前的风速；v为经过叶片时风速；v2为经过叶片后的风速；s1为叶片前的风速的面积；s为风经过叶片时的面积；s2为风经过叶片后的面积。如上图2-2所示，显然，v2<v1，s2>s1。假定空气不可压缩，可以得到(2-1)由流体力学可得气流的动能为(2-2)假设，在单位时间内，气流流过载面积为s的气体的体积为V，则。对于该体积的空气的质量，有（为空气密度），此时气体具有的动能为(2-3)其中，T、、V、v的单位分别是W、kg/m3、m3、m/s。其中，随一些因素，比如地理位置、海拔、地形的不同，和也是变化的。利用欧拉定理可求得：(2-4)式中—空气当时的密度风轮所接受的功率为(2-5)这样，风经过风轮叶片的动能转化为(2-6)式中—空气质量由于(2-7)所以(2-8)这样，把(2-8)代入(2-4)、(2-5)，则风作用在风轮叶片上的力F与接受的功率P分别为(2-9)(2-10)风速v1是给定的，的大小取决于v2，并且是v2的函数，对微分可求得最大值(2-11)令其等于0，求解方程得(2-12)(2-13)16/27=0．593，就称作贝茨功率系数(2-14)而是风速为v1的风能，所以(2-15)2.2对风速的模拟与仿真整个风力机组的运行状况，都由它的变化实时影响着，所以在实验室里，为完成风电系统的模拟实验，需要对实际的风场风速情况进行准确有效的模拟。一般来说，自然风速有4种典型成分：基本风VWB、阵风VWG、渐变风VWR和随机风VWN[7]。对于风力机，在正常运行过程中，一直存在着基本风。在风速变化过程中，对于阵风，描述了风速变化的特性；对于渐变风，反映了风速的渐变特性；对于随机风，描述了风速变化的随机特性。（1）基本风基本风的大小可以由Weibull参数确定。(2-16)对于上式，C为Weibull分布的尺度参数，k为Weibull分布的形状参数；通常的，基本风设定为常数，在仿真中，令基本风速为5m/s。（2）阵风阵风风速具有余弦特性，阵风体现在仿真中的2.5s到4.5s，实验中，令阵风峰值Gmax为5m/s。(2-17)上式中，Gmax、t、Tg、T1g分别为阵风峰值、时间、阵风周期、阵风开始时间。（3）渐变风在仿真中，令Rmax为3m/s当或时,;当时，;当时，。式中，T1r为渐变风开始时间，T2r为渐变风结束时间，Tr为渐变风保持时间。（4）随机风风速无时无刻不在变化，在用Matlab模拟中，用带限白噪声来模拟随机风。综合这4种风速，本文用4种叠加的风速模型来模拟实际作用在风力机上的风速(2-18)通过以上对风速模型的分析，在Matlab/Simulink环境下，对其仿真。仿真的结果如图2-4所示图2-3风速仿真原理图图2-4风速仿真波形2.3对风力机的模拟与仿真2.3.1风力发电机的空气动力学特性由贝兹理论可知,风力机产生的机械功率，在风速小于额定风速时为(2-19)（2-19）式中，为空气密度，s为风力机的桨叶扫掠面积，v为风速，为风能转换系数。(2-20)(2-20)式中，是风轮旋转的机械角速度，R为叶片的半径。图2-5为与之间的关系曲线。图中凸点对应最大风能捕获点，此处为最佳叶尖速比，此时达到最大值而，提高风力发电效率的关键因素之一就是获取最大风能追踪的控制方法。图2-5风力机CP与的关系曲线由式(2-19)可得风力机的机械转矩为：(2-21)由公式(2-19)、(2-20)和(2-21)可以得出风力机模型的特性曲线，如下图所示。图2-6转速-转矩曲线图2-7转速-功率曲线2.3.2对风力发电机的模拟与仿真目前，对于风力机特性模拟器，利用的主要是直流电动机，及感应电动机[8]。文献[11-16]提出的是直流电动机风力机特性模拟器通过控制直流电动机的输出转矩与给定风速下风力机气动转矩相等的办法，来模拟稳态的风力机气动输出转矩。但是，自然界的风是随机变化的，显然，上述的模拟方法不能真实地反映出风速从一个稳态到另一个稳态的变化过程中风力机的输出特性。文献[9]提出的是一种基于感应电动机的风力机特性动态的模拟方法，然而，文献中并未考虑增速齿轮箱的影响，也没能提供随机风速作用下的输出转矩特性，图2-8为他励直流电动机的等效电路图。图2-8为他励直流电动机的等效电路图图中uf为励磁绕组电压，if为励磁绕组的电流，Lf为励磁绕组的电感，Rf为励磁绕组电阻；对于电枢绕组，ua为电压，ia为电流，La为电感，Ra为电阻，ea为反电动势。由上图可得出：稳态下，直流电动机的运动方程：(2-22)(2-23)(2-24)在上述3个公式中，n为直流电动机转速，φ为励磁磁通，Te为电磁转矩，CT为转矩系数。由上面3个公式可得转矩与转速的关系为：(2-25)根据上述公式画出的直流电动机的特性曲线，如图2-9与图2-10所示图2-9转速-转矩曲线图2-10转速-功率曲线通过图2-6与图2-9的比较，可以看出，两者的转速-转矩特性相差较大。通过图2-7与图2-10的比较，可以看出，两者的转速-功率曲线大致相同。因此要想模拟风力机的运行状态，对于直流电动机，就需要在一定的转速下，得出与风力机相同的转矩。为此，本文利用的是Buck电路[10]。根据以上条件，建立模型，如图2-11所示的模型。图2-11风力机仿真模型在仿真中，各参数的设定如下：叶片的半径为3.5m，桨距角为0度，最大风能利用系数为0.4，风力机额定功率5kW，对于直流电动机，额定功率为5千瓦，额定转速为1025r/min，齿轮箱变比为5，电枢回路电感为40.5mH，电枢回路电阻R为3.46Ω，转动惯量为0.156kg·m2，励磁功率570W，供电电压选用300V直流电压源作为，开关的频率为50kHz。在仿真和实验过程中需要研究的是以下两方面：（1）在一定的条件下，风速变化时的情况；（2）在一定时条件下，转速变化时的情况。通过以上两方面，观察模拟风力机的特性。实验中，首先模拟转速一定时，风速变化时的情况，本文假定转速为8m/s，并且，在时间进行到2s时，风速由6m/s上升到8m/s，通过仿真，得图2-12和2-13。图2-12风力机仿真图图2-13电动机仿真图通过观察上面两个图形可以得出如下结论：在转速一定的条件下，风速变化时风力机的运行情况可以较好的由直流电动机模拟出。其次，转速变化时的情况，转速的变化见图2-14，实验中，假定风速大小为6m/s，通过仿真，得图2-15和2-16。图2-14转速的变化图图2-15风力机的时间-转矩的仿真图图2-16电动机模拟仿真图通过观察上面两个图形可以得出如下结论：当转速较小时电动机模拟风力机会出现一些波动，而在其它情况下，二者基本吻合，也就是说风力机的运行情况可以较好的由直流电动机模拟出。2.4直驱永磁同步发电机的模拟与仿真永磁发电机转子的极对数有很多，因而其同步转速较低，。直驱永磁发电机组的发电机轴直接连接在风轮机上，转子的转速随风速的变化而变化，且其交流电的频率也变化，经过电力电子装置变成与电网同频率的交流电输出。直驱型永磁风力发电机组相对于传统的异步发电机组优点是：由于传动系统部件的减少，使机组的可靠性得以提高，并降低了噪声；永磁发电技术及变速恒频技术的采用，使风力发电机组的效率得以提高；然后用过一定的装置进行无功功率补偿。2.4.1直驱永磁同步发电机的模拟假设:相绕组对称；转子磁场、定子电流分布均对称；（3）不考虑齿槽、换相过程，以及电枢反应等影响；永磁同步发电机的电磁转矩方程与运动方程[11]为：(2-26)(2-27)通常认为Ld=Lq，然后得出：(2-28)再在dq同步旋转坐标系下，对永磁同步发电机组的数学模型进行构建[19-20]，为(2-29)(2-30)在式2-26和2-30中，ud、uq为定子侧电压的d、q轴分量；Ld、Lq为定制绕组的d、q轴电感；id、iq为定子侧电流的d、q轴分量；R为定子电阻，P为极对数。永磁同步发电机两相旋转坐标系向量图，见图2-17所示。图2-17永磁同步发电机两相旋转坐标系向量图依据式（2-26)-(2-30），利用Matlab模拟，如图2-18所示图2-18永磁同步发电机仿真模型2.4.2直驱永磁同步发电机的仿真根据图2-18，本文利用Matlab，实现对永磁同步发电机的工作情况的仿真。参数的设定为：d轴电感与q轴电感均为3mH，发电机的额定功率为5kW，内阻为0.5Ω，极对数为14，转动惯量为0.1，磁链大小为0.5Wb，转动粘滞系数Bm为0。在仿真过程中，对于三相不控整流桥和电容滤波，都要接于发电机。机械转矩设为50N·m，负载电阻设为50Ω，仿真图如图2-19所示。图2-19转速波形图图2-20A相电压波形图2-21A相电流波形2.5风力发电系统主电路拓扑对于变流器，本文常采用不可控整流+Boost+逆变的方案[12]：如图2-22，首先，低速永磁发电机会发出交流电（它的频率、幅值是均变化的）；通过电力电子装置变换为三相恒幅交流电；最后，接至电网。所以，实现目的方法是：通过中间电力电子的变化环节，控制系统的有功和无功功率。图2-22不可控整流+Boost+逆变图2-22所示的不可控整流+Boost+逆变电路是三级变换，从构成的整流器来看，其优点是：实现相对容易，控制简单，可靠性高；而且，对于永磁同步发电机，实现对其无速度传感器的控制也更方便，成本也较低[13]。所以，本文采用不可控整流+Boost+逆变的方案。2.6本章总结本章首先探究了风力发电的原理，然后利用Matlab对风速、风力机和永磁同步发电机进行了模拟和仿真，并验证了这种模拟的可行性。本章最后对风力发电主电路拓扑进行了分析与选择。3风力发电系统最大功率追踪方法及仿真研究3.1最大风能追踪的控制方法[14]（1）功率信号反馈；（2）叶尖转速比控制；（3）三点比较法；（4）爬山搜索法等。3.1.1功率信号反馈法功率信号反馈法捕获最大风能的原理如下：通过前面的分析可知，在任何风速下，我们只要调节风力机转速，使其叶尖速比满足λ=λopt，这样，风力机就在Cpmax下运行，进而获得最大功率。3.1.2叶尖速比控制法根据本文2.3.1风力发电机的空气动力学特性可知，假定一种风速，取不同的转速计算出相应的叶尖速比λ，得出在该风速条件下风力机的输出机械功率-转速曲线图。再假定不同的风速，重复上面的步骤，就可以得出图3-1所示的曲线，其中v1<v2<v3。图3-1风力机输出机械功率-转速曲线关系图由图3-1可知，在不同风速下，将这些峰值点连起来，就构成了功率的最佳曲线Pmax。通过分析可知，要使风力机捕获最大风能，输出最大机械功率，就必须在风速变化时及时调节转速，保持最佳的叶尖速比。3.1.3三点比较法该方法的原理为：在一定风速下，在风力机输出功率-机械角速度关系曲线上，选取三个不同的机械角速度，并依次找出这三个点对应的机械功率，然后进行比较,进而追踪最大风能。在三个机械角速度的工作过程中，可能出现如图3-2(a)～图3-2(c)所示的情形(其中ω1<ω2<ω3)。（a）P1>P2>P3（b）P1<P2且P2>P3（c）P1<P2<P3图3-2三点比较法的原理图根据图示，当出现图3-2(a)的情形时，则应该在ω2～ω3之间进行调节；当出现图3-2(b)的情形时，应该减少机械角速度ω1；当出现图3-2(c)的情形时使w3继续增加，进而实现最大功率的追踪。三点法的原理及工作过程在文献[15]中有着详细的说明，并通过实验证明了该方法的可行性。这种方法的优点是：简单易行，选取不同的三个机械角速度，找到对应的输出功率，就可准确快速地追踪到Pmax。3.1.4爬山搜索法爬山搜索法是目前研究比较多的一种控制方法，该方法的工作原理是，不停扰动转速，根据功率变化情况，改变下一次转速的扰动方向。通常，爬山搜索法主要包括：传统爬山搜索法、变步长爬山搜索法和改进的爬山搜索法。本文主要对爬山搜索法进行分析与研究。3.2三种爬山搜索法的分析3.2.1传统爬山搜索法对于传统爬山搜索法，其工作过程如下：首先，计算出当前风力机的功率Pt(n)，然后与功率Pt(n-1)（上个控制周期的）作比较，如果Pt(n)<Pt(n-1)，使转速指令的扰动dω反号；否则，不改变其符号[16]。然后，将上个周期的转速指令和当前转速扰动值相加，得到新的转速指令值。对于dω，其符号的改变，在控制电路中，是通过对占空比D的值进行调整来实现的。流程图如3-3所示：图3-3流程图对于传统的爬山搜索法，步长是固定的，如果步长设置的太大，追踪最大功率的速度就会变快，但在最大功率点附近，输出功率会来回变化，不稳定；如果设置的步长过小，虽然稳定性变好了，但跟踪速度又变慢了。3.2.2变步长爬山搜索法图3-4中出了以占空比为自变量的风力发电机的输出功率特性曲线。在A区，有dP/dD>0（D为占空比），当dP>0且dD>0时,工作点正往最大功率处靠近，此时，需继续增加D，以使系统工作在最大功率处；当dP<0且dD<0时，说明工作点正背离最大功率处，为使系统工作在最大功率处需要增加D。在B区，有dP/dD<0，当dP>0且dD<0时，工作点正往最大功率处靠近，需减小D，以使系统工作在最大功率处；当dP<0且dD>0时，说明工作点正背离最大功率处，为使系统工作在最大功率处需要减少D。此方法的优点是能同时满足最大功率追踪过程中稳定性和快速性的要求；但考虑到一些参数的不确定性，以及风能的随机性，不能得到很理想的风能利用系数而且容易造成功率造成损失。图3-4输出功率-占空比关系曲线3.2.3改进的爬山搜索法[15]为了实现最大功率的快速追踪，在初始状态下，令ΔP=p1-p2，如果ΔP大于0，应继续按原占空比扰动，因为这表明输出功率正在上坡；如果ΔP小于0，表明输出功率正位于最高点附近，并开始走下坡，此时应改变步长，否则，系统的输出功率就会在P2和P3之间震荡，不能得到最大输出功率，见图3-5。图3-5改进的变步长爬山搜索法原理图对于改进的变步长爬山搜索法，优点是：仿真效果在固定的风速下比较理想，有良好的快速性，以及稳定性；缺点是：扰动步长在风速变化较慢时，会一直保持在最小值处，不能实现最大功率的快速追踪。3.3本章总结本章首先介绍了几种最大风能追踪的方法，着重介绍了爬山搜索法，并对其中的三种爬山搜索法进行了分析与对比。4风力发电系统最大功率追踪仿真研究4.1风力发电系统的仿真本文对直驱风力发电系统进行了仿真，其主电路采用的形式是：风力机+发电机+三重并联Boost电路+负载[17]。仿真模型见图4-1，风力机的仿真参数与前面所述的相同，发电机的额定功率为5千瓦，内阻为0.5Ω，q轴和d轴的电感均为3mH，转动惯量为0.1，磁链的大小为0.5Wb，极对数为14，直流侧的滤波电容为2mF，电感为2.3mH，负载为80Ω，负载侧滤波电容为470uF，开关频率为10kHz。图4-1直驱风电系统仿真模型根据以上模拟，首先在不考虑MPPT控制的情况下，验证占空比的变化对系统功率的影响。模拟中，令风速为4m/s，在占空比为0.4和0.5时，风力机输出功率如图4-2所示。图4-2风力机输出功率由图4-2可知：风力机的输出功率随占空比而改变。对于输出功率，在占空比为0.4时，为465W左右，在占空比为0.5时，大概为425W。所以通过上图可以得出：改变占空比，能使输出功率发生变化。这样，就可以通过调整占空比，实现了风力发电机最大功率追踪。4.2三种爬山搜索法的MPPT仿真各种爬山搜索法都有优缺点，为了进一步比较分析，用Matlab搭建了最大功率跟踪模块，然后将其代入到系统中，当风速由4m/s突变为7m/s时，对风力机功率的吸收情况进行观察。4.2.1传统爬山搜索法的MPPT仿真首先对传统爬山搜索法（也就是固定步长算法）进行仿真[18]，模块如图4-3所示。图4-3传统爬山搜索法模块在图4-1所示系统中，引入一个将最原始的一个MPPT模块，对输出功率的情况进行观察。采样时间设置为0.1s（下文的仿真也按此时间），初始占空比为0.3，步长为0.04。结果如图4-4所示。图4-4固定步长占空比扰动法的风力机输出功率从图中可以看出：当风速稳定在4m/s时，根据计算可得，输出功率稳定在最大功率处；当风速变为7m/s时，输出功率会快速上升，直至最大功率处。从图中也可以看出：固定步长爬山搜索法的缺点是，在风速稳定时，对于输出功率，由于占空比不断变化，会有较大波动。图4-5为固定步长扰动法占空比变化波形。图4-5固定步长占空比扰动法占空比的波形从上图中可知：对于占空比，当风速为4m/s时，在0.3-0.43间波动；而当风速变为7m/s时，能迅速跟踪风速变化，在0.5-0.6间波动。所以，跟踪速度很快，但占空比波动比较大。4.2.2变步长爬山搜索法的MPPT仿真首先，对变步长爬山搜索法进行建模，如图4-6所示。图4-6变步长占空比扰动法的模块然后将图4-6模块整合到图4-1所示系统中便可得到图4-7的仿真结果。图4-7变步长占空比扰动法的风力机输出功率从上图可知：与固定步长的方法相比，不论稳定性，还是在快速性上，变步长爬山搜索法都有较大提高，但功率波动这一问题依然没有得到解决。变步长扰动法占空比变化波形如图4-8所示。图4-8变步长占空比扰动法占空比的波形从上图可以看出：风速为7m/s时，与固定步长相比，此方法占空比的变化范围为0.52-0.55，因而可以得出，此方法追踪最大功率的效果要更好些。4.2.3改进的变步长爬山搜索法的MPPT仿真首先，对改进的变步长爬山搜索法建模，如图4-9所示图4-9改进的变步长占空比扰动法的模块在图4-1所示系统中，引入此模块。合理设置参数，进行仿真，可得风力机输出功率。如图4-10所示。图4-10改进的变步长占空比扰动法风力机输出功率从上图可看出：功率波形相当平稳，有着更快的跟踪速度，功率波动小，所以，效果还是比较令人满意的。对于变步长占空比扰动法，图4-11为其占空比波形。图4-11占空比波形由上图可知：对于占空比，在风速为4m/s时，保持在0.36处；在风速为7m/s时，保持在0.58处，波动很小，系统较为稳定。上述三种方法都是扰动法中比较简单方法，它们跟踪最大功率思想是一致的[19]：首先，对功率与占空比的变化方向进行判断；然后，对当前运行点与最大功率点的位置进行确定；最后，得出当前占空比扰动方向。对比以上三种扰动法的跟踪效果，不难得出：改进的变步长爬山搜索法性能更加优越。4.3本章总结本章首先对整个风电系统进行了建模，然后，对于三种爬山搜索法，利用Matlab对其进行仿真研究，通过仿真对比发现，相比于固定步长与变步长爬山算法，改进的爬山搜索法更能满足最大功率追踪的要求。结论目前，风力发电技术作为一种可再生能源，已得到长足发展，取得了广泛应用。在研究各种文献的基础上，本文首先对风电系统的发展背景进行了分析，然后，在实验中做了风速模拟以及风力机的模拟，并进行了仿真研究，又着重探究了风电系统中的最大功率点追踪控制问题，并主要研究了三种爬山搜索法，通过仿真研究得出改进的爬山搜索法具有更好的快速性和稳定性。本文通过研究得到以下成果：（1）为了进一步仿真研究，通过Matlab搭建了风速模型，比较逼真地模拟了真实风，而且，还搭建了风力机的模型、发电机模型，并对整个风力发电系统进行了研究。（2）对于风力机的模拟，因条件有限，本文是通过直流电机和一个闭环控制电路来实现的，仿真结果证明：模型能够很好的代替风力机进行实验室的研究。同时，本文还对风力机与发电机的转速-转矩特性进行了分析。（3）分析了几种MPPT控制方法，并着重研究了三种爬山搜索法，并且通过模拟仿真，得出：与固定步长和变步长爬山算法相比，改进的变步长爬山算法能使系统具有更高的效率和稳定性。由于时间的仓促，还需要进行的工作有：尝试寻求更加优化的风力发电系统最大功率追踪控制方法，使输出的功率波动更小，提高系统的快速性和精确性。参考文献[1]Nationalresearchcouncil.EnvironmentalImpactsofWindEnergyProject[M].WashingtonD.C:TheNationalAcademicPress,2007:17-21.[2]包耳,胡红英.风力发电的发展状况与展望[J].大连民族学院学报,2011,13(l):1.[3]江泽民.对中国能源问题的思考.中国能源,2008,(4):4-29[4]Ki-ChanKim,Seung-BinLim.AnalysisontheDirectDrivenHighPowerPermanentMagnetGeneratorforWindTurbine[C]