一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法，該裝置包括：MTTP處理器，與一小型風(fēng)力機(jī)以及PWM控制器相連，采集小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率及角速度，并根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量并傳輸至PWM控制器；PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，將擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；DC/DC電能變換電路，與負(fù)載相連，用于接收PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤，本發(fā)明可提高小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，加快跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的速度，提高跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的準(zhǔn)確度。
【專利說明】一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域，特別是涉及一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的發(fā)展，能源和環(huán)境成為人們面對的緊要問題。風(fēng)能作為以一種清潔可再生能源，有很好的應(yīng)用前景。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和能量密度低等缺點(diǎn)，給風(fēng)能的利用產(chǎn)生了很多問題。因此，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)的研究和發(fā)展變得尤為重要。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)使系統(tǒng)快速地、準(zhǔn)確地從外界吸收更多的能量。目前，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制技術(shù)主要有最佳葉尖速比法、功率反饋法以及擾動(dòng)觀察法。
[0003]最佳葉尖速比(TSR)法的基本思想是當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持風(fēng)力機(jī)的葉尖速比在最佳值處(最佳值一般是通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得)，這樣在任何風(fēng)速下風(fēng)能的利用率都最大，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。此種控制算法的好處是控制原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是需要測量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，還需要預(yù)先知道風(fēng)力機(jī)固有的葉尖速比曲線，由于風(fēng)速的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量比較困難，此種控制算法容易引起風(fēng)力機(jī)輸出功率的劇烈波動(dòng)，因此在實(shí)際中應(yīng)用較少。
[0004]功率反饋法(PSF)的基本思想是預(yù)先計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到最大功率點(diǎn)曲線，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，首先檢測出風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)最大功率曲線計(jì)算出此時(shí)風(fēng)機(jī)的輸出功率，以此為參考功率并與當(dāng)前風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)捕獲實(shí)際功率作比較產(chǎn)生差值信號，從而進(jìn)行功率的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不用測量風(fēng)速，而且風(fēng)力機(jī)的輸出功率不會(huì)波動(dòng)，缺點(diǎn)是對于不同的風(fēng)力機(jī)，需要事先仿真或試驗(yàn)得到風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，增加功率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用成本。
[0005]擾動(dòng)觀察法與太陽能發(fā)電系統(tǒng)擾動(dòng)法基本相似:首先給風(fēng)輪施加一個(gè)較小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，然后檢測系統(tǒng)的輸出功率的變化量，如果變化量大于零，則表明擾動(dòng)方向正確；如果變化量小于零，則向相反的方向進(jìn)行擾動(dòng)。該方法簡單、不需要測量風(fēng)速，可以很好降低成本，但是在最大功率點(diǎn)處，由于步長的原因，會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)且步長過小，跟蹤速度減慢，步長過大會(huì)造成最大功率跟蹤過程中功率的波動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法，其可以提高小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，加快跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的速度，提高跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的準(zhǔn)確度，從而在根本上降低小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高風(fēng)能的利用率。
[0007]為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，包括:
[0008] MTTP處理器，與一小型風(fēng)力機(jī)以及PWM控制器相連，用于采集所述小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量并傳輸至所述PWM控制器；[0009]PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，用于將所述擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；
[0010]DC/DC電能變換電路，與負(fù)載相連，用于接收所述PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
[0011]進(jìn)一步地，所述MTTP處理器進(jìn)一步包括:
[0012]第一面積獲取單元，用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第一面積；
[0013]第二面積獲取單元，用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第二面積；
[0014]擾動(dòng)步長變化量獲取單元，分別與所述第一面積獲取單元以及所述第二面積獲取單元相接，用于獲取所述第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進(jìn)而獲取所述擾動(dòng)步長變化量。
[0015]進(jìn)一步地，所述擾動(dòng)步長變化量為:
[0016]AD = a(AP/| ΔΡ|) Λ8δρ/|δρ|
[0017]其中ΛΡ = P3-P2，AS = S2/S1，P3、P2為所述第三工作點(diǎn)、第二工作點(diǎn)的輸出功率，S2、S1分別為所述第二面積、第一面積，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)，0〈a〈l。
[0018]進(jìn)一步地，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)。
[0019]進(jìn)一步地，當(dāng)所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)，減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩。
[0020]進(jìn)一步地，所述DC/DC電能變換電路采用由電容、電阻、電感、電力電子開關(guān)組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收所述PWM控制信號，若所述PWM控制信號為高電平，則所述電力電子開關(guān)導(dǎo)通，若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關(guān)斷開，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
[0021]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法，包括如下步驟:
[0022]步驟一,采集所述小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W ;
[0023]步驟二，根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量；
[0024]步驟三，PWM控制器將所述擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；
[0025]步驟四，DC/DC電能變換電路接收PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
[0026]進(jìn)一步地，所述擾動(dòng)步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)。[0027]進(jìn)一步地，所述PWM控制信號隨所述擾動(dòng)步長變化量Λ D變化而變化。
[0028]進(jìn)一步地，于步驟四中，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過擾動(dòng)步長變化量Λ D與預(yù)置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)；當(dāng)所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)；直到完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置及方法根據(jù)小型風(fēng)力機(jī)的P-W輸出特性曲線的特點(diǎn)，采用相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積比來改變擾動(dòng)步長變化量，通過擾動(dòng)步長變化量的自尋優(yōu)，快速實(shí)現(xiàn)對小型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提高了小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，加快了跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的速度，提高了跟蹤小型風(fēng)力機(jī)最大功率的準(zhǔn)確度，從而在根本上降低小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高風(fēng)能的利用率
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0031]圖2為本發(fā)明小型風(fēng)力機(jī)P-W的輸出特性曲線；
[0032]圖3為本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法的步驟流程圖；
[0033]圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的流程圖；
[0034]圖5本發(fā)明的系統(tǒng)仿真電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下通過特定的具體實(shí)例并結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。
[0036]圖1為本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置的系統(tǒng)架構(gòu)圖。如圖1所示,本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，包括=MTTP處理器2、PWM控制器4以及DC/DC電能變換電路6。由于外界風(fēng)速一定時(shí)，小型風(fēng)力機(jī)的P(輸出功率)-W(角速度)輸出特性曲線為一條單峰值曲線，只有一個(gè)最大功率點(diǎn)，因此可以通過對小型風(fēng)力機(jī)的角速度進(jìn)行擾動(dòng)，即通過擾動(dòng)步長來實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0037]其中，MTTP處理器2分別與小型風(fēng)力機(jī)10以及PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)控制器4相連，用于采集小型風(fēng)力機(jī)10的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量并傳輸至PWM控制器4。
[0038]圖2為本發(fā)明中小型風(fēng)力機(jī)P-W的輸出特性曲線。參考圖2，設(shè)曲線上相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Wl，Pl)，第二工作點(diǎn)B的坐標(biāo)為(W2，P2)，第三工作點(diǎn)C的坐標(biāo)為(W3，P3)，其中P為小型風(fēng)力機(jī)輸出功率，W為小型風(fēng)力機(jī)角速度。點(diǎn)A在所述P-W輸出特性曲線的W坐標(biāo)軸上的投影為F，點(diǎn)B在所述P-W輸出特性曲線的W坐標(biāo)軸上的投影為E，點(diǎn)C在所述P-W輸出特性曲線的W坐標(biāo)軸上的投影為D。則線段AB、BE、EF、FA構(gòu)成了一個(gè)近似四邊形ABEF，其面積SI = (P1+P2)*(W2 — Wl)*0.5 ;線段BC、CD、DE和EB構(gòu)成了一個(gè)四邊形BCDE，其面積S2 = (P2+P3)*(W3 — W2)*0.5。在小型風(fēng)力機(jī)P_W輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)M的左邊，隨著工作點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)，S2與SI的面積比值不斷變化；工作點(diǎn)在離小型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)M左邊越遠(yuǎn)的位置，S2與SI的面積比值越大,在最大功率點(diǎn)M附近，S2與SI的比值基本等于I。在小型風(fēng)力機(jī)P-W輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)M的右邊正好相反。因此，通過S2與SI的面積比值，可以確定擾動(dòng)步長變化量，從而對小型風(fēng)力機(jī)的角速度進(jìn)行擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0039]圖2中，第三工作點(diǎn)C的擾動(dòng)步長變化量為AD = a(AP/| ΛΡ|) Λ5ΔΡ/|ΔΡ|，其中ΔΡ = P3-P2、AS = S2/S1，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)，可以通過實(shí)驗(yàn)得到。當(dāng)Λ P>0且工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)時(shí)，面積比S2/S1較大，可得C點(diǎn)的下個(gè)采樣步長變化量:Λ D=aS2/Sl此時(shí)擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，可以快速的跟蹤最大功率點(diǎn)；當(dāng)采樣點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，S2/S1?1，擾動(dòng)靈敏度a較小，則擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，此時(shí)跟蹤時(shí)振蕩較小，可以減小跟蹤過程中功率損失。
[0040]當(dāng)Ρ3-Ρ2 = O時(shí)、第三工作點(diǎn)C的擾動(dòng)步長變化量采樣點(diǎn)在最大功率點(diǎn)M上，S2 =
O,則S2/S1 = O, C點(diǎn)擾動(dòng)步長變化量Λ D = 0，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電力電子開關(guān)的PWM信號占空比不變，系統(tǒng)輸出電壓不變且工作在最大功率，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處。
[0041]當(dāng)λ P = Ρ3 — Ρ2〈0，第三工作點(diǎn)C的擾動(dòng)步長變化量AD = _aSl/S2，當(dāng)采樣點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)時(shí)當(dāng)采樣點(diǎn)時(shí)，面積比較大時(shí)，擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)從反方向較快的速度靠近最大功率點(diǎn)。綜上所述，根據(jù)面積比的大小，MTTP處理器2產(chǎn)生相應(yīng)大小正向或者負(fù)向的Λ D并傳輸至所述PWM控制器4，以此驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電力電子開關(guān)，完成最大功率跟蹤。
[0042]繼續(xù)參考附圖1，作為優(yōu)選的實(shí)施方式，MTTP處理器2進(jìn)一步包括第一面積獲取單元21、第二面積獲取單元22以及擾動(dòng)步長變化量獲取單元23。
[0043]第一面積獲取單元21用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第一面積。同時(shí)參考圖2，相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Wl, Pl)，第二工作點(diǎn)B的坐標(biāo)為(W2，Ρ2)，所述第一面積獲取單元21獲取的第一面積SI=(P1+P2)*(W2 — Wl) *0.5。
[0044]第二面積獲取單元22用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第二面積。同時(shí)參考圖2，相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第二工作點(diǎn)B的坐標(biāo)為(W2, P2)，第三工作點(diǎn)C的坐標(biāo)為(W3，P3)，所述第二面積獲取單元22獲取的第二面積S2=(P2+P3) * (W3 — W2)*0.5。
[0045]擾動(dòng)步長變化量獲取單元23分別與第一面積獲取單元21以及第二面積獲取單元22相接，用于獲取第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量。同時(shí)參考圖2，第三工作點(diǎn)C的擾動(dòng)步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)。且第三工作點(diǎn)C在最大功率點(diǎn)M左邊，第三工作點(diǎn)C與第二工作點(diǎn)B兩者輸出功率差值大于零，故Λ D取正值。
[0046]PWM控制器4與DC/DC電能變換電路6相連，用于將擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號。其中，PWM控制器4的輸入信息為MTTP處理器2獲取的擾動(dòng)步長變化量Λ D，將Λ D轉(zhuǎn)換成PWM控制器4可以處理的數(shù)據(jù)格式后，與PWM控制器4預(yù)置的PWM載波信號比較，產(chǎn)生隨Λ D變化而變化PWM控制信號輸出至DC/DC電能變換電路6。
[0047]DC/DC電能變換電路6與負(fù)載20相連，用于接收DC/DC電能變換電路6輸出的PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過擾動(dòng)步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路6輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)；當(dāng)擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過擾動(dòng)步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路6輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)，可以減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩；直到完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0048]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，DC/DC電能變換電路6采用由電容、電阻、電感、電力電子開關(guān)組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收PWM控制信號，若PWM控制信號為高電平，則Boost升壓電路的電力電子開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，PWM控制信號占空比越大，電力電子開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間越長，則工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)；PWM控制信號占空比越小，電力電子開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間越短，則工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)。若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關(guān)斷開，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
[0049]設(shè)Boost升壓電路的輸入電壓為Uin、電流為Iin ;輸入等效電阻為Req。所述Boost升壓電路的輸出電壓為U0、電流為10 ;負(fù)載電阻為R0。在電能變換前后，電能損失很小，可以忽略，則輸出電壓UO = (1/(1 - D))*Uin ；D為驅(qū)動(dòng)電力電子開關(guān)的占空比；U0*10=Uin*Iin = Uin2/Req = U02/R0,則 Req = Uin/Iin = (I — D)2*R0。對小型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)相當(dāng)于對Boost升壓電路的輸入電壓進(jìn)行擾動(dòng)，因此通過擾動(dòng)控制輸入電壓以此控制占空比變化的PWM波，來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比D，使輸入阻抗與負(fù)載阻抗匹配，來完成最大功率點(diǎn)的跟蹤；另一方面Boost升壓電路起到升高電壓的作用。
[0050]當(dāng)PWM控制信號為高電平時(shí)，電力電子開關(guān)導(dǎo)通，其所在支路相當(dāng)于一根導(dǎo)線，小型風(fēng)力機(jī)輸出的電壓對電感充電，電容上的電壓向負(fù)載供電。當(dāng)PWM控制信號為低電平時(shí)，電力電子開關(guān)所在支路斷開，電感電容共同向負(fù)載供電。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的輸出功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入Boost升壓電路的電力電子開關(guān)的PWM控制信號，通過電力電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)占空比D的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的傳送、輸出電壓的調(diào)節(jié)、負(fù)載功率的調(diào)節(jié)，輔助實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。
[0051]圖3為本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法的步驟流程圖。如圖3所示，本發(fā)明一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法，包括如下步驟:
[0052]步驟301，采集小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W，具體地說,采集小型風(fēng)力機(jī)相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度。
[0053]步驟302，根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量。
[0054]具體地，第三工作點(diǎn)的擾動(dòng)步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)。由于，第三工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)M左邊，第三工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)兩者輸出功率差值大于零，故Λ D取正值
[0055]步驟303，PWM控制器將擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號，該P(yáng)WM控制信號隨擾動(dòng)步長變化量Λ D變化而變化。
[0056]步驟304，DC/DC電能變換電路接收P麗控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
[0057]具體地，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過擾動(dòng)步長變化量Λ D與預(yù)置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)；當(dāng)擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)，可以減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩；直到完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0058]圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的流程圖。請參閱圖4所示,其中，P、W為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率及角速度；Ρ(Κ -1)為前一個(gè)周期小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，P⑷為當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率；S(K-1)為ABEF的面積，S(K-2)為BCDE的面積；D (K-1)為當(dāng)前擾動(dòng)步長，Λ D (K)為下一個(gè)周期的擾動(dòng)步長，Λ Dt為一個(gè)臨時(shí)變量；當(dāng)AP = P(K) -P(K-1)>0，采樣點(diǎn)C可能在最大功率點(diǎn)的左邊或者右邊，當(dāng)在左邊時(shí)，擾動(dòng)步長變化量Λ Dt =厶0。下一個(gè)擾動(dòng)步長厶0(1() = D(K-1)+Λ Dt，當(dāng)前工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近；當(dāng)采樣點(diǎn)C前在最大功率點(diǎn)右邊，此時(shí)仍可能Λ P = P (K) 一 P (K — I) >0，在下一個(gè)擾動(dòng)步長D (K) = D (K-1) + ADt的作用下，將稍微的偏離最大功率點(diǎn)，當(dāng)前工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，但很快有Λ P = P(K) — P(K — I)〈O。當(dāng)Λ P = P(K) — P(K — 1)〈0，當(dāng)前工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左邊，Λ Dt = Λ Dt，擾動(dòng)步長變化量Λ Dt = — Λ Dt，下一個(gè)擾動(dòng)步長D(K+1) = D⑷+ Λ Dt，當(dāng)前工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近。將當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率P (K)賦值給P (K — I)，繼續(xù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
[0059]本發(fā)明根據(jù)小型風(fēng)力機(jī)的P-W輸出特性曲線的特點(diǎn)，采用相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積比來改變擾動(dòng)步長變化量。面積的比值隨工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)的距離改變而改變，擾動(dòng)步長變化量則隨著面積比值的改變而改變；工作點(diǎn)在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，面積比值較大，擾動(dòng)步長變化量較大，此時(shí)可以快速跟蹤最大功率點(diǎn)；工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近，面積比幾乎為I與擾動(dòng)靈敏度的乘積幾乎為零，擾動(dòng)步長變化量基本為零，在最大功率點(diǎn)基本沒有振蕩，從而可以很好對小型風(fēng)力機(jī)最大功率進(jìn)行跟蹤。也即，通過相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積比的自適應(yīng)來實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)步長變化量的自尋優(yōu)，快速實(shí)現(xiàn)對小型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)的跟蹤。且當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生很大變化時(shí)，如風(fēng)速變化很大，則小型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，角速度隨之改變，小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率曲線會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變；此時(shí)面積的比值也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而裝置將以新的步長較快的跟蹤到新的最大功率點(diǎn)。
[0060]接下來結(jié)合圖5所示系統(tǒng)仿真電路圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明之新型小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置。
[0061]其中，模塊40為Powergui模塊，表示系統(tǒng)工作在聯(lián)系狀態(tài)下。模塊48為負(fù)載模塊。
[0062]模塊41包括小型風(fēng)力機(jī)模型及輸入小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速(wind speed)、小型風(fēng)力機(jī)角速度(generator speed)、槳距角(Pitch Angle)、小型風(fēng)力機(jī)半徑R ;模塊41的輸出為小型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm、風(fēng)能利用系數(shù)Cp及小型風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率Pm。
[0063]模塊42為永磁直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)，其直接與小型風(fēng)力機(jī)相連接，把小型風(fēng)力機(jī)提供轉(zhuǎn)矩Tm輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并輸出三相交流電A、B、C。
[0064]模塊43為三相不可控整流器，用于把永磁直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電，同時(shí)防止能量反饋的作用。
[0065]模塊44本發(fā)明之新型小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置的控制部分，包括MPPT模塊以及PWM模塊。MPPT模塊采集風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W，計(jì)算面積SI =(P1+P2) * (W2 — Wl) *0.5、S2 = (P2+P3) * (W3 — W2) *0.5 ;獲得擾動(dòng)步長變化量Λ D ；ΜΡΡΤ 模塊根據(jù)ΛΡ = Ρ3 — Ρ2的正負(fù)，產(chǎn)正負(fù)、大小不同的AD。PWM模塊輸入為Λ D，Λ D通過轉(zhuǎn)換與PWM模塊內(nèi)置的PWM載波信號比較，產(chǎn)生隨Λ D變化而變化PWM控制信號，PWM控制信號直接控制Boost升壓電路的電力電子開關(guān)，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電力電子開關(guān)的通斷來完成最大功率的跟蹤。
[0066]模塊45本發(fā)明之新型小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置的DC/DC電能變換電路部分，采用由電容Cl、電感L1、電阻R1、電力電子開關(guān)IGBT以及二極管D1、濾波電容CO組成的Boost升壓電路。當(dāng)PWM控制信號為高電平時(shí)，電力電子開關(guān)IGBT導(dǎo)通，所在支路相當(dāng)于一根導(dǎo)線，小型風(fēng)力機(jī)輸出的電壓對電感LI充電，電容Cl上的電壓向負(fù)載供電。當(dāng)PWM控制信號為低電平時(shí)，電力電子開關(guān)IGBT所在支路斷開，L1、Cl共同向負(fù)載供電。通過電力電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)電能的傳送、輸出電壓的調(diào)節(jié)、負(fù)載功率的調(diào)節(jié)。
[0067]模塊461-464分別為電壓表VM1、VM2，電流表CM1、CM2，分別測量并輸出所在支路的電壓、電流。模塊471-472均為示波器，主要用于觀察仿真結(jié)果。其中，模塊471用于測量小型風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm、風(fēng)能利用系數(shù)Cp以及機(jī)械功率Pm ;模塊472用于測量Boost升壓電路輸入功率及負(fù)載輸出電流、電壓。
[0068]永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的輸出電壓與其輸入轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)整流后輸出電壓也與輸入電壓近似成比例關(guān)系；所以三相不可控整流器的輸出電壓與永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速近似成比例關(guān)系；對小型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)相當(dāng)于對三相不可控整流器的輸出電壓進(jìn)行擾動(dòng)；該電壓即為Boost升壓電路的輸入電壓，因此通過擾動(dòng)控制輸入電壓以此控制占空比可以改變的PWM波，來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比D，使輸入阻抗與負(fù)載阻抗匹配，來完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0069]通過仿真可以看出，在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積差值較大，擾動(dòng)步長變化量較大，此時(shí)可以快速跟蹤最大功率點(diǎn)；在距離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積差值較小，擾動(dòng)步長變化量較小，以小步長進(jìn)行擾動(dòng)，可以減少功率跟蹤過程中功率的振蕩；在最大功率點(diǎn)附近，相鄰工作點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積差較幾乎為零，擾動(dòng)步長變化量基本為零，在最大功率點(diǎn)基本沒有振蕩，從而可以很好對小型風(fēng)力機(jī)最大功率進(jìn)行跟蹤。
[0070]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
【權(quán)利要求】
1.一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，包括: MTTP處理器，與一小型風(fēng)力機(jī)以及PWM控制器相連，用于采集所述小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量并傳輸至所述PWM控制器； PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，用于將所述擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號； DC/DC電能變換電路，與負(fù)載相連，用于接收所述PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
2.如權(quán)利要求1所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述MTTP處理器進(jìn)一步包括: 第一面積獲取單元，用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第一面積； 第二面積獲取單元，用于采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度，獲取第二面積； 擾動(dòng)步長變化量獲取單元，分別與所述第一面積獲取單元以及所述第二面積獲取單元相接，用于獲取所述第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進(jìn)而獲取所述擾動(dòng)步長變化量。
3.如權(quán)利要求2所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述擾動(dòng)步長變化量為:
AD = a ( Δ P/ ΔΡ|) Δ8δρ/|δρ| 其中ΛΡ = P3-P2，AS = S2/S1，P3、P2為所述第三工作點(diǎn)、第二工作點(diǎn)的輸出功率，S2、SI分別為所述第二面積、第一面積,擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)，0〈a〈I。
4.如權(quán)利要求3所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，其特征在于:當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，其特征在于:當(dāng)所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)，減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩。
6.如權(quán)利要求5所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤裝置，其特征在于:所述DC/DC電能變換電路采用由電容、電阻、電感、電力電子開關(guān)組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收所述PWM控制信號，若所述PWM控制信號為高電平，則所述電力電子開關(guān)導(dǎo)通，若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關(guān)斷開，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
7.—種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法,包括如下步驟: 步驟一，采集所述小型風(fēng)力機(jī)的輸出功率P及角速度W ； 步驟二，根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取相應(yīng)面積比以及輸出功率差值，進(jìn)而獲取擾動(dòng)步長變化量；步驟三，PWM控制器將所述擾動(dòng)步長變化量與預(yù)置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號； 步驟四，DC/DC電能變換電路接收PWM控制信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓以及負(fù)載功率，完成最大功率跟蹤。
8.如權(quán)利要求7所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法，其特征在于:所述擾動(dòng)步長變化量的值為AD = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點(diǎn)與第二工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點(diǎn)與第三工作點(diǎn)的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動(dòng)靈敏度a為常系數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法，其特征在于:所述PWM控制信號隨所述擾動(dòng)步長變化量Λ D變化而變化。
10.如權(quán)利要求9所述的一種小型風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤方法，其特征在于:于步驟四中，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)，所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較大，此時(shí)通過擾動(dòng)步長變化量Λ D與預(yù)置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M快速移動(dòng)；當(dāng)所述擾動(dòng)步長變化量Λ D較小，工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近，此時(shí)通過所述擾動(dòng)步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M緩慢移動(dòng)；直到完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。
【文檔編號】G05F1/67GK103970179SQ201410200393
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】蘇強(qiáng)強(qiáng), 吳增強(qiáng), 徐余法, 梅曉娟, 戴志軍 申請人:上海電機(jī)學(xué)院