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    一种 小型 风力机 最大 功率 跟踪 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410200393.0

    申请日:

    2014.05.13

    公开号:

    CN103970179A

    公开日:

    2014.08.06

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05F 1/67申请日:20140513|||公开
    IPC分类号: G05F1/67 主分类号: G05F1/67
    申请人: 上海电机学院
    发明人: 苏强强; 吴增强; 徐余法; 梅晓娟; 戴志军
    地址: 200240 上海市闵行区江川路690号
    优先权:
    专利代理机构: 上海思微知识产权代理事务所(普通合伙) 31237 代理人: 郑玮
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410200393.0

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.09.28|||2014.09.03|||2014.08.06

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种小型风力机最大功率跟踪装置及方法,该装置包括:MTTP处理器,与一小型风力机以及PWM控制器相连,采集小型风力机的输出功率及角速度,并根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量并传输至PWM控制器;PWM控制器,与DC/DC电能变换电路相连,将扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号;DC/DC电能变换电路,与负载相连,用于接收PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪,本发明可提高小型风力机的风能利用率,加快跟踪小型风力机最大功率的速度,提高跟踪小型风力机最大功率的准确度。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种小型风力机最大功率跟踪装置,包括:
    MTTP处理器,与一小型风力机以及PWM控制器相连,用于采集所述小型风力机的输出功率P及角速度W,并根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量并传输至所述PWM控制器;
    PWM控制器,与DC/DC电能变换电路相连,用于将所述扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号;
    DC/DC电能变换电路,与负载相连,用于接收所述PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。

    2.  如权利要求1所述的一种小型风力机最大功率跟踪装置,其特征在于,所述MTTP处理器进一步包括:
    第一面积获取单元,用于采集相邻三个工作点中第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度,获取第一面积;
    第二面积获取单元,用于采集相邻三个工作点中第二工作点与第三工作点的输出功率及角速度,获取第二面积;
    扰动步长变化量获取单元,分别与所述第一面积获取单元以及所述第二面积获取单元相接,用于获取所述第二面积与第一面积的比值及输出功率的差值,进而获取所述扰动步长变化量。

    3.  如权利要求2所述的一种小型风力机最大功率跟踪装置,其特征在于,所述扰动步长变化量为:
    ΔD=a(ΔP/|ΔP|)ΔSΔP/|ΔP|
    其中ΔP=P3-P2,ΔS=S2/S1,P3、P2为所述第三工作点、第二工作点的输出功率,S2、S1分别为所述第二面积、第一面积,扰动灵敏度a为常系数,0<a<1。

    4.  如权利要求3所述的一种小型风力机最大功率跟踪装置,其特征在于:当工作点离最大功率点M较远,所述扰动步长变化量△D较大,此时通过所述扰动步长变化量△D与所述PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动。

    5.  如权利要求4所述的一种小型风力机最大功率跟踪装置,其特征在于:当所述扰动步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过所述扰动步长变化量△D与所述PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动,减小跟踪最大功率过程中功率的振荡。

    6.  如权利要求5所述的一种小型风力机最大功率跟踪装置,其特征在于:所述DC/DC电能变换电路采用由电容、电阻、电感、电力电子开关组成的Boost升压电路,所述Boost升压电路接收所述PWM控制信号,若所述PWM控制信号为高电平,则所述电力电子开关导通,若PWM控制信号为低电平,则所述电力电子开关断开,从而实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。

    7.  一种小型风力机最大功率跟踪方法,包括如下步骤:
    步骤一,采集所述小型风力机的输出功率P及角速度W;
    步骤二,根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量;
    步骤三,PWM控制器将所述扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号;
    步骤四,DC/DC电能变换电路接收PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。

    8.  如权利要求7所述的一种小型风力机最大功率跟踪方法,其特征在于:所述扰动步长变化量的值为△D=a*S2/S1,其中,S1为根据所采集的第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度获取的第一面积,S2为根据所采集的第二 工作点与第三工作点的输出功率及角速度获取的第二面积,扰动灵敏度a为常系数。

    9.  如权利要求8所述的一种小型风力机最大功率跟踪方法,其特征在于:所述PWM控制信号随所述扰动步长变化量△D变化而变化。

    10.  如权利要求9所述的一种小型风力机最大功率跟踪方法,其特征在于:于步骤四中,当工作点离最大功率点M较远,所述扰动步长变化量△D较大,此时通过扰动步长变化量△D与预置的PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动;当所述扰动步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过所述扰动步长变化量△D与PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动;直到完成最大功率点的跟踪。

    说明书

    说明书一种小型风力机最大功率跟踪装置及方法
    技术领域
    本发明涉及新能源领域,特别是涉及一种小型风力机最大功率跟踪装置及方法。
    背景技术
    随着社会的发展,能源和环境成为人们面对的紧要问题。风能作为以一种清洁可再生能源,有很好的应用前景。由于风能具有随机性、不稳定性和能量密度低等缺点,给风能的利用产生了很多问题。因此,最大功率点跟踪技术(MPPT)的研究和发展变得尤为重要。最大功率点跟踪技术使系统快速地、准确地从外界吸收更多的能量。目前,应用于风力发电机MPPT控制技术主要有最佳叶尖速比法、功率反馈法以及扰动观察法。
    最佳叶尖速比(TSR)法的基本思想是当风速变化时,实时调整发电机转速,维持风力机的叶尖速比在最佳值处(最佳值一般是通过计算或实验获得),这样在任何风速下风能的利用率都最大,从而实现最大风能跟踪。此种控制算法的好处是控制原理简单,容易实现。缺点是需要测量风速和风力机转速,还需要预先知道风力机固有的叶尖速比曲线,由于风速的实时准确测量比较困难,此种控制算法容易引起风力机输出功率的剧烈波动,因此在实际中应用较少。
    功率反馈法(PSF)的基本思想是预先计算或实验得到最大功率点曲线,当风速发生变化时,首先检测出风力机的转速,然后根据最大功率曲线计算出此时风机的输出功率,以此为参考功率并与当前风速下的风机捕获实际功率作比较产生差值信号,从而进行功率的闭环控制,实现对最大功率点的跟踪。该方法的优点是不用测量风速,而且风力机的输出功率不会波动,缺点是对于不同的风力机,需要事先仿真或试验得到风力机的最大功率曲线,增加功率反馈控制 难度和实际应用成本。
    扰动观察法与太阳能发电系统扰动法基本相似:首先给风轮施加一个较小的转速波动,然后检测系统的输出功率的变化量,如果变化量大于零,则表明扰动方向正确;如果变化量小于零,则向相反的方向进行扰动。该方法简单、不需要测量风速,可以很好降低成本,但是在最大功率点处,由于步长的原因,会产生波动且步长过小,跟踪速度减慢,步长过大会造成最大功率跟踪过程中功率的波动。
    发明内容
    为克服上述现有技术存在的不足,本发明之一目的在于提供一种小型风力机最大功率跟踪装置及方法,其可以提高小型风力机的风能利用率,加快跟踪小型风力机最大功率的速度,提高跟踪小型风力机最大功率的准确度,从而在根本上降低小型风力机发电系统的成本,提高风能的利用率。
    为达上述及其它目的,本发明提出一种小型风力机最大功率跟踪装置,包括:
    MTTP处理器,与一小型风力机以及PWM控制器相连,用于采集所述小型风力机的输出功率P及角速度W,并根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量并传输至所述PWM控制器;
    PWM控制器,与DC/DC电能变换电路相连,用于将所述扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号;
    DC/DC电能变换电路,与负载相连,用于接收所述PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。
    进一步地,所述MTTP处理器进一步包括:
    第一面积获取单元,用于采集相邻三个工作点中第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度,获取第一面积;
    第二面积获取单元,用于采集相邻三个工作点中第二工作点与第三工作点的输出功率及角速度,获取第二面积;
    扰动步长变化量获取单元,分别与所述第一面积获取单元以及所述第二面积获取单元相接,用于获取所述第二面积与第一面积的比值及输出功率的差值,进而获取所述扰动步长变化量。
    进一步地,所述扰动步长变化量为:
    ΔD=a(ΔP/|ΔP|)ΔSΔP/|ΔP|
    其中ΔP=P3-P2,ΔS=S2/S1,P3、P2为所述第三工作点、第二工作点的输出功率,S2、S1分别为所述第二面积、第一面积,扰动灵敏度a为常系数,0<a<1。
    进一步地,当工作点离最大功率点M较远,所述扰动步长变化量△D较大,此时通过所述扰动步长变化量△D与所述PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动。
    进一步地,当所述扰动步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过所述扰动步长变化量△D与所述PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动,减小跟踪最大功率过程中功率的振荡。
    进一步地,所述DC/DC电能变换电路采用由电容、电阻、电感、电力电子开关组成的Boost升压电路,所述Boost升压电路接收所述PWM控制信号,若所述PWM控制信号为高电平,则所述电力电子开关导通,若PWM控制信号为低电平,则所述电力电子开关断开,从而实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。
    为达到上述目的,本发明还提供一种小型风力机最大功率跟踪方法,包括如下步骤:
    步骤一,采集所述小型风力机的输出功率P及角速度W;
    步骤二,根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量;
    步骤三,PWM控制器将所述扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号;
    步骤四,DC/DC电能变换电路接收PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。
    进一步地,所述扰动步长变化量的值为△D=a*S2/S1,其中,S1为根据所采集的第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度获取的第一面积,S2为根据所采集的第二工作点与第三工作点的输出功率及角速度获取的第二面积,扰动灵敏度a为常系数。
    进一步地,所述PWM控制信号随所述扰动步长变化量△D变化而变化。
    进一步地,于步骤四中,当工作点离最大功率点M较远,所述扰动步长变化量△D较大,此时通过扰动步长变化量△D与预置的PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则所述DC/DC电能变换电路输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动;当所述扰动步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过所述扰动步长变化量△D与PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动;直到完成最大功率点的跟踪。
    与现有技术相比,本发明一种小型风力机最大功率跟踪装置及方法根据小型风力机的P-W输出特性曲线的特点,采用相邻工作点构成的两个四边形的面积比来改变扰动步长变化量,通过扰动步长变化量的自寻优,快速实现对小型风力机最大功率点的跟踪,提高了小型风力机的风能利用率,加快了跟踪小型风力机最大功率的速度,提高了跟踪小型风力机最大功率的准确度,从而在根本上降低小型风力机发电系统的成本,提高风能的利用率
    附图说明
    图1为本发明一种小型风力机最大功率跟踪装置的系统架构图;
    图2为本发明小型风力机P-W的输出特性曲线;
    图3为本发明一种小型风力机最大功率跟踪方法的步骤流程图;
    图4为本发明优选实施例实现最大功率跟踪的流程图;
    图5本发明的系统仿真电路图。
    具体实施方式
    以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
    图1为本发明一种小型风力机最大功率跟踪装置的系统架构图。如图1所示,本发明一种小型风力机最大功率跟踪装置,包括:MTTP处理器2、PWM控制器4以及DC/DC电能变换电路6。由于外界风速一定时,小型风力机的P(输出功率)-W(角速度)输出特性曲线为一条单峰值曲线,只有一个最大功率点,因此可以通过对小型风力机的角速度进行扰动,即通过扰动步长来实现小型风力机最大功率点的跟踪。
    其中,MTTP处理器2分别与小型风力机10以及PWM(Pulse WidthModulation,脉冲宽度调制)控制器4相连,用于采集小型风力机10的输出功率P及角速度W,并根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量并传输至PWM控制器4。
    图2为本发明中小型风力机P-W的输出特性曲线。参考图2,设曲线上相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(W1,P1),第二工作点B的坐标为(W2,P2),第三工作点C的坐标为(W3,P3),其中P为小型风力机输出功率,W为小型风力机角速度。点A在所述P-W输出特性曲线的W坐标轴上的投影为F, 点B在所述P-W输出特性曲线的W坐标轴上的投影为E,点C在所述P-W输出特性曲线的W坐标轴上的投影为D。则线段AB、BE、EF、FA构成了一个近似四边形ABEF,其面积S1=(P1+P2)*(W2-W1)*0.5;线段BC、CD、DE和EB构成了一个四边形BCDE,其面积S2=(P2+P3)*(W3-W2)*0.5。在小型风力机P-W输出特性曲线上最大功率点M的左边,随着工作点靠近最大功率点,S2与S1的面积比值不断变化;工作点在离小型风力机最大功率点M左边越远的位置,S2与S1的面积比值越大,在最大功率点M附近,S2与S1的比值基本等于1。在小型风力机P-W输出特性曲线上最大功率点M的右边正好相反。因此,通过S2与S1的面积比值,可以确定扰动步长变化量,从而对小型风力机的角速度进行扰动来实现小型风力机最大功率点的跟踪。
    图2中,第三工作点C的扰动步长变化量为ΔD=a(ΔP/|ΔP|)ΔSΔP/|ΔP|,其中ΔP=P3-P2、ΔS=S2/S1,扰动灵敏度a为常系数(0<a<1),可以通过实验得到。当△P>0且工作点离最大功率点M较远时,面积比S2/S1较大,可得C点的下个采样步长变化量:ΔD=aS2/S1此时扰动步长变化量△D较大,可以快速的跟踪最大功率点;当采样点接近最大功率点时,S2/S1≈1,扰动灵敏度a较小,则扰动步长变化量△D较小,此时跟踪时振荡较小,可以减小跟踪过程中功率损失。
    当P3-P2=0时、第三工作点C的扰动步长变化量采样点在最大功率点M上,S2=0,则S2/S1=0,C点扰动步长变化量△D=0,此时驱动电力电子开关的PWM信号占空比不变,系统输出电压不变且工作在最大功率,系统工作在最大功率点处。
    当△P=P3-P2<0,第三工作点C的扰动步长变化量ΔD=-aS1/S2,当采样点离最大功率点M较远时当采样点时,面积比较大时,扰动步长变化量△D较大,此时从反方向较快的速度靠近最大功率点。综上所述,根据面积比的大小,MTTP处理器2产生相应大小正向或者负向的△D并传输至所述PWM控制器4, 以此驱动相应的电力电子开关,完成最大功率跟踪。
    继续参考附图1,作为优选的实施方式,MTTP处理器2进一步包括第一面积获取单元21、第二面积获取单元22以及扰动步长变化量获取单元23。
    第一面积获取单元21用于采集相邻三个工作点中第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度,获取第一面积。同时参考图2,相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(W1,P1),第二工作点B的坐标为(W2,P2),所述第一面积获取单元21获取的第一面积S1=(P1+P2)*(W2-W1)*0.5。
    第二面积获取单元22用于采集相邻三个工作点中第二工作点与第三工作点的输出功率及角速度,获取第二面积。同时参考图2,相邻三个工作点中第二工作点B的坐标为(W2,P2),第三工作点C的坐标为(W3,P3),所述第二面积获取单元22获取的第二面积S2=(P2+P3)*(W3-W2)*0.5。
    扰动步长变化量获取单元23分别与第一面积获取单元21以及第二面积获取单元22相接,用于获取第二面积与第一面积的比值及输出功率的差值,进而获取扰动步长变化量。同时参考图2,第三工作点C的扰动步长变化量的值为△D=a*S2/S1,扰动灵敏度a为常系数(0<a<1)。且第三工作点C在最大功率点M左边,第三工作点C与第二工作点B两者输出功率差值大于零,故△D取正值。
    PWM控制器4与DC/DC电能变换电路6相连,用于将扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号。其中,PWM控制器4的输入信息为MTTP处理器2获取的扰动步长变化量△D,将△D转换成PWM控制器4可以处理的数据格式后,与PWM控制器4预置的PWM载波信号比较,产生随△D变化而变化PWM控制信号输出至DC/DC电能变换电路6。
    DC/DC电能变换电路6与负载20相连,用于接收DC/DC电能变换电路6输出的PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。当工作点离最大功率点M较远,扰动步长变化量△D较大,此时通过扰动步长变化量△D与PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路6输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动;当扰动 步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过扰动步长变化量△D与PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路6输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动,可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡;直到完成最大功率点的跟踪。
    作为优选的实施方式,DC/DC电能变换电路6采用由电容、电阻、电感、电力电子开关组成的Boost升压电路,所述Boost升压电路接收PWM控制信号,若PWM控制信号为高电平,则Boost升压电路的电力电子开关导通;当工作点离最大功率点M较远,扰动步长变化量△D较大,此时通过△D与PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,PWM控制信号占空比越大,电力电子开关导通的时间越长,则工作点向最大功率点M快速移动;PWM控制信号占空比越小,电力电子开关导通的时间越短,则工作点向最大功率点M缓慢移动。若PWM控制信号为低电平,则所述电力电子开关断开,从而实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。
    设Boost升压电路的输入电压为Uin、电流为Iin;输入等效电阻为Req。所述Boost升压电路的输出电压为U0、电流为I0;负载电阻为R0。在电能变换前后,电能损失很小,可以忽略,则输出电压U0=(1/(1-D))*Uin;D为驱动电力电子开关的占空比;U0*I0=Uin*Iin=Uin2/Req=U02/R0,则Req=Uin/Iin=(1-D)2*R0。对小型风力机的转速扰动相当于对Boost升压电路的输入电压进行扰动,因此通过扰动控制输入电压以此控制占空比变化的PWM波,来实时调节占空比D,使输入阻抗与负载阻抗匹配,来完成最大功率点的跟踪;另一方面Boost升压电路起到升高电压的作用。
    当PWM控制信号为高电平时,电力电子开关导通,其所在支路相当于一根导线,小型风力机输出的电压对电感充电,电容上的电压向负载供电。当PWM控制信号为低电平时,电力电子开关所在支路断开,电感电容共同向负载供电。根据风力机的输出功率实时调节输入Boost升压电路的电力电子开关的PWM控制信号,通过电力电子开关的通断实现占空比D的调节,进而实现电能的传送、 输出电压的调节、负载功率的调节,辅助实现最大功率跟踪。
    图3为本发明一种小型风力机最大功率跟踪方法的步骤流程图。如图3所示,本发明一种小型风力机最大功率跟踪方法,包括如下步骤:
    步骤301,采集小型风力机的输出功率P及角速度W,具体地说,采集小型风力机相邻三个工作点的输出功率及角速度。
    步骤302,根据所采集的相邻三个工作点的输出功率及角速度获取相应面积比以及输出功率差值,进而获取扰动步长变化量。
    具体地,第三工作点的扰动步长变化量的值为△D=a*S2/S1,其中,S1为根据所采集的第一工作点与第二工作点的输出功率及角速度获取的第一面积,S2为根据所采集的第二工作点与第三工作点的输出功率及角速度获取的第二面积,扰动灵敏度a为常系数(0<a<1)。由于,第三工作点在最大功率点M左边,第三工作点与第二工作点两者输出功率差值大于零,故△D取正值
    步骤303,PWM控制器将扰动步长变化量与预置的PWM载波信号相比较,产生PWM控制信号,该PWM控制信号随扰动步长变化量△D变化而变化。
    步骤304,DC/DC电能变换电路接收PWM控制信号,实时调节输出电压以及负载功率,完成最大功率跟踪。
    具体地,当工作点离最大功率点M较远,扰动步长变化量△D较大,此时通过扰动步长变化量△D与预置的PWM载波信号比较,输出占空比较大的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路输出电压升高较快,工作点向最大功率点M快速移动;当扰动步长变化量△D较小,工作点离最大功率点M较近,此时通过△D与PWM载波信号比较,输出占空比较小的PWM控制信号,则DC/DC电能变换电路输出电压升高较慢,工作点向最大功率点M缓慢移动,可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡;直到完成最大功率点的跟踪。
    图4为本发明优选实施例实现最大功率跟踪的流程图。请参阅图4所示,其中,P、W为小型风力发电机的功率及角速度;P(K-1)为前一个周期小型风力发电机的输出功率,P(K)为当前小型风力发电机的输出功率;S(K-1)为ABEF 的面积,S(K-2)为BCDE的面积;D(K-1)为当前扰动步长,△D(K)为下一个周期的扰动步长,△Dt为一个临时变量;当△P=P(K)-P(K-1)>0,采样点C可能在最大功率点的左边或者右边,当在左边时,扰动步长变化量△Dt=△Dt,下一个扰动步长△D(K)=D(K-1)+△Dt,当前工作点向最大功率点靠近;当采样点C前在最大功率点右边,此时仍可能△P=P(K)-P(K-1)>0,在下一个扰动步长D(K)=D(K-1)+△Dt的作用下,将稍微的偏离最大功率点,当前工作点向最大功率点靠近,但很快有△P=P(K)-P(K-1)<0。当△P=P(K)-P(K-1)<0,当前工作点在最大功率点左边,△Dt=△Dt,扰动步长变化量△Dt=-△Dt,下一个扰动步长D(K+1)=D(K)+△Dt,当前工作点向最大功率点靠近。将当前小型风力发电机的输出功率P(K)赋值给P(K-1),继续进行最大功率点跟踪。
    本发明根据小型风力机的P-W输出特性曲线的特点,采用相邻工作点构成的两个四边形的面积比来改变扰动步长变化量。面积的比值随工作点离最大功率点的距离改变而改变,扰动步长变化量则随着面积比值的改变而改变;工作点在离最大功率点较远时,面积比值较大,扰动步长变化量较大,此时可以快速跟踪最大功率点;工作点在最大功率点附近,面积比几乎为1与扰动灵敏度的乘积几乎为零,扰动步长变化量基本为零,在最大功率点基本没有振荡,从而可以很好对小型风力机最大功率进行跟踪。也即,通过相邻工作点构成的两个四边形的面积比的自适应来实现扰动步长变化量的自寻优,快速实现对小型风力机最大功率点的跟踪。且当外界环境发生很大变化时,如风速变化很大,则小型风力机的转速发生变化,角速度随之改变,小型风力机的输出功率曲线会相应的发生改变;此时面积的比值也会随之发生变化,从而装置将以新的步长较快的跟踪到新的最大功率点。
    接下来结合图5所示系统仿真电路图来进一步说明本发明之新型小型风力机最大功率跟踪装置。
    其中,???0为Powergui???,表示系统工作在联系状态下。???8为 负载???。
    ???1包括小型风力机模型及输入小型风力机的风速(wind speed)、小型风力机角速度(generator speed)、桨距角(Pitch Angle)、小型风力机半径R;???1的输出为小型风力机转矩Tm、风能利用系数Cp及小型风力机机械功率Pm。
    ???2为永磁直驱式同步发电机,其直接与小型风力机相连接,把小型风力机提供转矩Tm输出的机械能转化为电能并输出三相交流电A、B、C。
    ???3为三相不可控整流器,用于把永磁直驱式同步发电机输出的三相交流电转化为直流电,同时防止能量反馈的作用。
    ???4本发明之新型小型风力机最大功率跟踪装置的控制部分,包括MPPT??橐约癙WM???。MPPT??椴杉缌氖涑龉β蔖及角速度W,计算面积S1=(P1+P2)*(W2-W1)*0.5、S2=(P2+P3)*(W3-W2)*0.5;获得扰动步长变化量△D;MPPT??楦荨鱌=P3-P2的正负,产正负、大小不同的△D。PWM??槭淙胛鱀,△D通过转换与PWM??槟谥玫腜WM载波信号比较,产生随△D变化而变化PWM控制信号,PWM控制信号直接控制Boost升压电路的电力电子开关,通过实时调节电力电子开关的通断来完成最大功率的跟踪。
    ???5本发明之新型小型风力机最大功率跟踪装置的DC/DC电能变换电路部分,采用由电容C1、电感L1、电阻R1、电力电子开关IGBT以及二极管D1、滤波电容C0组成的Boost升压电路。当PWM控制信号为高电平时,电力电子开关IGBT导通,所在支路相当于一根导线,小型风力机输出的电压对电感L1充电,电容C1上的电压向负载供电。当PWM控制信号为低电平时,电力电子开关IGBT所在支路断开,L1、C1共同向负载供电。通过电力电子开关的通断实现电能的传送、输出电压的调节、负载功率的调节。
    ???61-464分别为电压表VM1、VM2,电流表CM1、CM2,分别测量并输出所在支路的电压、电流。???71-472均为示波器,主要用于观察仿真结果。 其中,???71用于测量小型风力机的机械转矩Tm、风能利用系数Cp以及机械功率Pm;???72用于测量Boost升压电路输入功率及负载输出电流、电压。
    永磁直驱式发电机的输出电压与其输入转速成正比的关系,发电机的输出电压经整流后输出电压也与输入电压近似成比例关系;所以三相不可控整流器的输出电压与永磁直驱式发电机的输入转速近似成比例关系;对小型风力机的转速扰动相当于对三相不可控整流器的输出电压进行扰动;该电压即为Boost升压电路的输入电压,因此通过扰动控制输入电压以此控制占空比可以改变的PWM波,来实时调节占空比D,使输入阻抗与负载阻抗匹配,来完成最大功率点的跟踪。
    通过仿真可以看出,在离最大功率点较远时,相邻工作点构成的两个四边形的面积差值较大,扰动步长变化量较大,此时可以快速跟踪最大功率点;在距离最大功率点较近时,相邻工作点构成的两个四边形的面积差值较小,扰动步长变化量较小,以小步长进行扰动,可以减少功率跟踪过程中功率的振荡;在最大功率点附近,相邻工作点构成的两个四边形的面积差较几乎为零,扰动步长变化量基本为零,在最大功率点基本没有振荡,从而可以很好对小型风力机最大功率进行跟踪。
    上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰与改变。因此,本发明的权利?;し段?,应如权利要求书所列。

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