风机最大风能追踪方法综述

肖忠云陈康博

（贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025）

【摘要】介绍了四种风机最大风能追踪MPPT，包括基于风速的最优叶尖速比法、爬山搜索法、功率信号反馈控制法、风速软测量法。并选取了最为常用的功率信号反馈控制算法进行MATLAB仿真建模，仿真结果表明该方法能较快、较准确的实现MPPT功能。

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关键词 MPPT；最优叶尖速比法；爬山搜索法；功率信号反馈控制法；风速软测量法

【Abstract】Fourmaximumpowerpointtrackeralgorithmsforwindpowergeneratorsareintroduced,includingtheoptimaltipspeedratiomethodbasedonwindspeed,thehillclimbingsearchmethod,thepowersignalfeedbackcontrolmethod,andthesoftsensingmethodofwindspeed.ThemostcommonlyusedpowersignalfeedbackcontrolmethodisselectedforMATLAB/Simulinkmodelingandsimulation.TheresultsshowthattheproposedalgorithmcanmorerapidlyandaccuratelyrealizeMPPTfunction.

【Keywords】MPPT；Theoptimaltipspeedratiomethodbasedonwindspeed；Thehillclimbingsearchmethod；Thepowersignalfeedbackcontrolmethod；Thesoftsensingmethodofwindspeed

0引言

国家大力发展新能源，风力资源作为清洁且可再生的新能源，得到了国家的大力重视。风力发电具有间歇性、波动性的特点，对风机的最大风能追踪方法的研究极为重要。实现风机的最大风能追踪，能最大限度的利用风能，提高风电机组的总发电量。本文介绍了四种最大风能的追踪方法，并对其进行分析对比。

1最大风能追踪方法简介

1.1基于风速的最优叶尖速比法

最优叶尖速比法就是通控制转速使得转速与风速比值保持在一个最优值，以追踪最大功率。风力机吸收机械功率：

在桨距角一定的情况下要想使得风力机吸收功率最大，则需要使取到最大值。根据风能利用系数随叶尖速比变化的曲线可知，存在一个叶尖速比使得风能利用系数取得最大值，这个叶尖速比即为最优叶尖速比,维持在最优叶尖速比就可以实现，各种风速下的最大功率追踪。

这种方法控制目标明确，原理简单。并且由于风机自身变桨距控制，以及启动控制系统需要风速计测量风速，所以这种控制方法实现容易。但是这一个方法需要通过风速计测量风速，但是风速计测到的只是一点或者几点的风速，并不完全反应作用在风机叶片上的风速，并且风速计自身存在惯性本身也有测量误差和延迟，所以这种方法对最大功率的跟踪精度不大。使风电机组能获得最大的输出功率。并且每一风机都有一特定的最佳叶尖速比，它与风机以及发电机的特性有关，所以这种方法难以推广，基本不再使用。

1.2爬山搜索法

在增加或者减小风机转速之后，通过比对改变转速前后风机输出的功率，确定当前转速与最佳转速的之间的大小关系，来确定继续增速还是降低速度。

爬山搜索算法不需要测量风速,也不需要事先知道具体风轮机的功率特性。由于风机自身存在功率损耗等原因，追踪最大输入机械功率并不一定等于发出最大的电功率。但是爬山搜索算法直接反馈风机实际输出电能，可以不用考虑风机自身的功率损耗等其他因素对最大功率追踪影响。

这是种最大功率追踪方法存在盲目性，容易转速在最佳转速附近反复穿越，无法稳定在最大功率点上，因此没有正真意义上的稳态。并且这种方法无法兼顾风力追踪的快速性与精确性，如果设置较大的风机转速增减调节量，会使得追踪速度较快，但是当到达最大功率点附近时会造成较大的波动。如果设置较小的风机转速调节量，但是当到达最大功率点附近时波动会减小，但是会使得追踪速度变慢。

1.3功率信号反馈控制法

这种方法的具体做法是检测当前转速，并假定此转速为最优叶尖速比对应的转速，并通过叶尖速比公式求得当前风速，通过此风速下的双馈风机转速功率曲线，获得对应于当前转速的功率值，并通过此功率值，计算有功电流给定。功率信号反馈控制算法的具体原理通过下图分析：

图中实线为不同风速下，风机转速与功率的关系，虚线为不同风速下最大功率点的连线，是一条过原点的三次曲线。根据最优叶尖速比法的分析，保持最优叶尖速比就可以获得最大功率。最大功率与风速的三次方成正比。又由于不同的最大功率点上叶尖速比是一样的，最大功率同时也和转速的三次方成正比。

风速增加时的追踪情况：若此时风速为，风机在最大功率追踪的状态运行在A点上,突然风速由增加到，由于风机存在惯性，转速不能突变，风机输出功率仍为，但是风力机此时有A点突变到D点，此时输入机械功率大于风机发出的功率，双馈风机加速，此时风机的有功给定按照虚线由A向B点运行，风力机从D点运行到B点，到达B点之后风机输入机械功率等于风机发出功率，风机转速稳定在风速下的最大功率点。

风速减小时的追踪情况：若此时风速为，风机在最大功率追踪的状态运行在C点上，突然风速由增减到，由于风机存在惯性，转速不能突变，风机输出功率仍为，但是风力机此时有c点突变到e点，此时输入机械功率小于风机发出的功率，双馈风机减速，此时风机的有功给定按照虚线由C向B点运行，风力机从E点运行到B点，到达B点之后风机输入机械功率等于风机发出功率，风机转速稳定在风速下的最大功率点。

然而，以上的分析是完全基于贝兹定理的。贝兹在定理假定风轮理想、叶片无穷多、通过风轮的气流没有空气阻力，整个风轮掠扫面上气流均匀，气流速度不变，方向沿风轮轴线，基于能量守恒定理，对风机能够捕获到的最大风能做估算。贝兹定理是在理想状态下，对风力机最大风能捕获能力的估算。实际中，由于多种因素影响，导致按照贝兹定理计算结果与实际捕捉到的风能存在偏差。因此，根据理想状态下的贝兹定理实现MPPT控制会产生误差。鉴于以上原因，在实际工程中很少有直接采用贝兹定理来计算最佳转速。在实际的MPPT控制中，更多依据事先测量出的数据拟合风力发电机的最大功率曲线。显而易见，该做法会增加控制的难度，由于测量点有限，必然也会存在一定误差。

1.4基于风速软测量的MPPT

风机吸收的机械功率，其中风速也可以由机械功率、桨距角和风机转速表示为，其中可通过风机发出的电功率和产生风机加速度的功率之和（忽略机械损耗和电损耗等）。同时我们也可以测出风机的转速，桨距角。

通过这点变量可以求得风机任意时刻实际接受到的风速，这是风速计无法做到的。但是风速的表达式无法直接求出解析式，算法中所用的风机的转动惯量也难以精确测量，并且这也是基于理想条件下的贝兹定理，若考虑风机的各种损耗，这种算法更为复杂，鉴于以上的因素，有些文献使用的各种算法对风速的表达式进行了拟合，但这些都是可行性研究，没有得到应用。这种算法面临的问题相对功率信号反馈控制算法更为复杂。

2结论

本文介绍了四种最大风机的追踪方法，并对其进行分析对比。最终选取了最为常用的功率信号反馈控制算法进行仿真建模，且能较快、较准确的实现MPPT功能。

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［责任编辑：刘展］