一種變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出跟蹤控制方法
【專利摘要】一種變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出跟蹤控制方法，包括基于動(dòng)態(tài)PI模糊控制的MPPT，和針對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)的MLPT兩大部分；MPPT部分，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)由最大功率表查詢獲得的功率與實(shí)測(cè)的輸出電功率比較，它們的誤差經(jīng)過動(dòng)態(tài)模糊PI復(fù)合調(diào)節(jié)算法，產(chǎn)生控制信號(hào)給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；MLPT部分，經(jīng)過MLPT數(shù)學(xué)模型分析獲取的發(fā)電機(jī)最小損耗時(shí)磁鏈與實(shí)時(shí)磁鏈測(cè)量值比較，經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器2控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。模糊算法的引入增強(qiáng)了系統(tǒng)MPPT的快速反應(yīng)能力，增強(qiáng)了最大功率跟蹤精度，MLPT從異步發(fā)電機(jī)本身角度的降損從而間接提高效率，提高功率輸出能力。
【專利說明】一種變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出跟蹤控制方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出控制領(lǐng)域，具體涉及一種變速異步風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)的最大功率輸出跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 最大功率點(diǎn)跟蹤，簡(jiǎn)稱：MPPT ;最小損耗點(diǎn)跟蹤，簡(jiǎn)稱MLPT。
[0003] 變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)前陸地風(fēng)電場(chǎng)大中型發(fā)電裝置的重要型式。不同 風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與功率（或轉(zhuǎn)矩）特性上具備最大功率（或轉(zhuǎn)矩）點(diǎn)，也就是說任意風(fēng) 速下，存在最大功率（轉(zhuǎn)矩）輸出點(diǎn)。使用一定的方法尋求運(yùn)行中最大功率點(diǎn)的方法有很多 種，比較成熟的有最佳葉尖速比法、爬山搜索法、功率信號(hào)反饋法。最佳葉尖速比法是最直 接的控制方法，但也是最不準(zhǔn)確的方法，實(shí)際中采用較少；爬山搜索法雖然無需測(cè)量風(fēng)速、 也無需事先測(cè)繪功率曲線，但跟蹤時(shí)間長(zhǎng)、擾動(dòng)問題始終無法克服，尤其風(fēng)速變化較快時(shí)， 會(huì)引起系統(tǒng)震蕩。功率信號(hào)反饋法需要事先試驗(yàn)獲得最大功率曲線，并編程做成查詢表，根 據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)力機(jī)的速度查出對(duì)應(yīng)的最大輸出功率作為給定值，然后與發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率 反饋值比較得到誤差量，經(jīng)過調(diào)節(jié)器對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的捕獲。
[0004] 基于功率信號(hào)反饋法的最大功率點(diǎn)跟蹤中，單獨(dú)的PI調(diào)節(jié)器即常規(guī)的調(diào)節(jié)方法 應(yīng)用較多，毋庸置疑，PI調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好。但是，當(dāng)外界風(fēng)速變化過大過快時(shí)，單純 采用固定增益參數(shù)的PI調(diào)節(jié)則顯得比較費(fèi)勁，主要表現(xiàn)為反應(yīng)慢、時(shí)間長(zhǎng)，從而會(huì)有較大 超調(diào)，穩(wěn)定性也受到挑戰(zhàn)，最終在快速變化的風(fēng)速面前跟蹤效果不佳。
[0005] 異步發(fā)電機(jī)的可變損耗主要包含定轉(zhuǎn)子銅耗與鐵耗，根據(jù)等效電路及其數(shù)學(xué)模 型，可變損耗存在最小損耗點(diǎn)。電機(jī)損耗的降低，勢(shì)必也會(huì)增強(qiáng)電機(jī)功率的輸出能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)以上提出的問題及背景趨勢(shì)，本發(fā)明提出了一種動(dòng)態(tài)模糊PI調(diào)節(jié)的MPPT技 術(shù)，加上一種MLPT技術(shù)的綜合提高變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出能力的方法。 其技術(shù)方案為 ：
[0007] -種變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出跟蹤控制方法，包括基于動(dòng)態(tài)模糊 PI控制的MPPT，和針對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)的MLPT兩大部分；MPPT部分，根據(jù)事先的大量試驗(yàn) 數(shù)據(jù)，繪制出最大功率曲線后，編程實(shí)現(xiàn)最大功率表，從而任意不同發(fā)電機(jī)系統(tǒng)速度n對(duì)應(yīng) 不同的最大功率€，實(shí)測(cè)的輸出電功率P 2與€比較，它們的誤差經(jīng)過動(dòng)態(tài)模糊PI復(fù)合調(diào) 節(jié)算法，即由PI調(diào)節(jié)器1和模糊控制規(guī)則為主組成，產(chǎn)生控制信號(hào)給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；MLPT與 MPPT相對(duì)獨(dú)立，經(jīng)過MLPT數(shù)學(xué)模型分析，結(jié)合發(fā)電機(jī)系統(tǒng)速度n與功率測(cè)量值P2等實(shí)時(shí)參 數(shù)和已知的參數(shù)，獲取發(fā)電機(jī)最小損耗時(shí)的磁鏈，根據(jù)電壓值U及其他所需已知參數(shù) 獲取實(shí)時(shí)磁鏈測(cè)量值W，然后二個(gè)磁鏈比較產(chǎn)生的誤差經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器2控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中 的雙饋異步發(fā)電機(jī)的影響到磁鏈的參數(shù)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)效果主要有： 變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MPPT方法在其系統(tǒng)運(yùn)行中具有重要意義，可明顯增強(qiáng)電能輸出 量。本發(fā)明針對(duì)增強(qiáng)電能輸出能力，從兩個(gè)方面采取措施，一則在傳統(tǒng)功率信號(hào)反饋法的 MPPT基礎(chǔ)上，提出采用模糊PI算法處理功率反饋值與給定值的誤差，根據(jù)功率的實(shí)測(cè)值 與給定最大值比較得到的誤差大小，利用模糊算法調(diào)整PI的增益參數(shù)，在保證穩(wěn)定性前提 下，增強(qiáng)調(diào)節(jié)的快速性，尤其是在兩個(gè)功率誤差較大時(shí)，引入模糊算法能加快MPPT追蹤速 度；二則根據(jù)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)損耗數(shù)學(xué)模型進(jìn)行MLPT，最小損耗點(diǎn)磁鏈與實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈比 較，誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 風(fēng)速往往是不穩(wěn)定的、善變的，尤其快速的風(fēng)速變化，勢(shì)必要求能快速的調(diào)整，引入模 糊算法后，當(dāng)外界風(fēng)速變化越大時(shí)，通過模糊在線調(diào)整PI參數(shù)，加大調(diào)整力度和速度，而外 界風(fēng)速變化不大時(shí)，則調(diào)整PI參數(shù)較小。而模糊算法整定PI增益參數(shù)的效果頗好，快速反 應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性也保證了功率跟蹤的精確性。MLPT的引入從發(fā)電機(jī)本身角度提高了它的效 率，從而增加了功率輸出能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1所示為本發(fā)明的輸出功率-轉(zhuǎn)速曲線圖。
[0010] 圖2所示為本發(fā)明的控制原理圖。
[0011] 圖3所示為本發(fā)明的模糊控制隸屬度函數(shù)圖。
[0012] 圖4所示為本發(fā)明的變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路。
[0013] 圖5所示為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)與模糊PI控制下的輸出功率變化。
[0014] 圖6所示為本發(fā)明的基于模糊PI的MPPT與MLPT下的幾個(gè)參量變化。其中：圖 6(a)風(fēng)速變化；圖6 (b)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化；圖6 (c)為MLPT實(shí)施后轉(zhuǎn)子磁鏈變化；圖6 (d) 為發(fā)電機(jī)輸出功率變化。
[0015] 圖7所示為本發(fā)明在階躍風(fēng)速情況下主要輸出參量的變化。
[0016]圖8所示為本發(fā)明在正弦風(fēng)速情況下主要輸出參量的變化。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0018] 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在如附圖1所示的功率-轉(zhuǎn)速曲線，圖中Vl_v4為風(fēng)速，在不同 風(fēng)速下有不同的曲線，但共同點(diǎn)是都存在最大功率點(diǎn)，將這些不同風(fēng)速的最大功率點(diǎn)連起 來，就繪制出了一條最大功率曲線，如附圖1中的虛線所示，附圖1中橫坐標(biāo)為風(fēng)力（發(fā)電） 機(jī)轉(zhuǎn)速，如果采集到風(fēng)力機(jī)的速度，則根據(jù)該曲線就可以查到對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)。
[0019] 附圖2所示為本發(fā)明的總控制原理簡(jiǎn)圖，附圖2中的最大功率表，是根據(jù)事先的大 量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如附圖1所示的最大功率曲線后，再編程實(shí)現(xiàn)最大功率表，任意不同速 度n對(duì)應(yīng)不同的最大功率然后實(shí)測(cè)的輸出電功率P2與戶；；比較，它們的誤差經(jīng)過模糊PI 復(fù)合調(diào)節(jié)算法，g卩如附圖2所示的PI調(diào)節(jié)器1和模糊控制規(guī)則為主組成，最后產(chǎn)生控制信 號(hào)給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，以上為MPPT過程。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中包含變速異步發(fā)電機(jī)、控制器、檢測(cè)傳感 裝置、變速齒輪裝置等。
[0020] MLPT與MPPT相對(duì)獨(dú)立，首先需要進(jìn)行MLPT數(shù)學(xué)模型分析，再根據(jù)發(fā)電機(jī)速度n與 功率測(cè)量值p2等實(shí)時(shí)參數(shù)和已知的發(fā)電機(jī)參數(shù)，獲取發(fā)電機(jī)最小損耗時(shí)的磁鏈，根據(jù) 電壓值U及其他所需已知參數(shù)獲取實(shí)時(shí)磁鏈測(cè)量值W，然后二者比較產(chǎn)生的誤差經(jīng)由PI調(diào) 節(jié)器2控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
[0021] MLPT與MPPT的運(yùn)算控制信號(hào)均給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的控制器，在實(shí)施中，當(dāng)以上二者 發(fā)生沖突時(shí)，如不得不調(diào)節(jié)電流改變磁鏈以滿足MLPT時(shí)，若同時(shí)反向影響到MPPT的實(shí)現(xiàn)， 則控制器自動(dòng)對(duì)MPPT優(yōu)先。
[0022] 基于模糊PI調(diào)節(jié)器的MPPT設(shè)計(jì)：
[0023] 雖然比例+積分（PI)控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差，但傳統(tǒng)的PI 不能根據(jù)負(fù)載變化和系統(tǒng)特性變化調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，因此本文提出采用模糊PI來滿足系 統(tǒng)的要求，模糊PI是在PI算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)誤差和誤差變化率，利用模 糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。
[0024] 模糊PI參數(shù)的在線調(diào)整克服了參數(shù)在跟蹤的整個(gè)過程固定不變的特點(diǎn)，適應(yīng)性 更強(qiáng)，其算法為：八1^=；^(6,6(3);八1^=；^(6,6(3);1^=1^。+八1^ ;1^=1^。+八1^。其中：八1^和厶1^ 分別為偏差e和偏差變化率ec對(duì)應(yīng)于模糊規(guī)則表中的輸出值；kp(l和ki(l分別為比例系數(shù)和 積分系數(shù)的初始值。
[0025] 模糊規(guī)則：
[0026] 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面考慮，綜合A kp和A 對(duì)系統(tǒng)的不同 作用以及二者之間的相互作用關(guān)系建立的模糊規(guī)則如表1和表2。
[0027] 表1 A 模糊規(guī)則表
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出跟蹤控制方法，包括基于動(dòng)態(tài)模糊 PI控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，和針對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)的最小損耗點(diǎn)跟蹤方法兩大部分； 其特征是，最大功率點(diǎn)跟蹤方法部分，根據(jù)事先的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出最大功率曲線后， 編程實(shí)現(xiàn)最大功率表，從而任意不同發(fā)電機(jī)系統(tǒng)速度η對(duì)應(yīng)不同的最大功率G,實(shí)測(cè)的輸 出電功率P2與€比較，它們的誤差經(jīng)過動(dòng)態(tài)模糊PI復(fù)合調(diào)節(jié)算法，即由PI調(diào)節(jié)器1和模 糊控制規(guī)則為主組成，產(chǎn)生控制信號(hào)給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；最小損耗點(diǎn)跟蹤方法部分，經(jīng)過最小損 耗點(diǎn)跟蹤方法的數(shù)學(xué)模型分析，結(jié)合發(fā)電機(jī)系統(tǒng)速度η與功率測(cè)量值P2等實(shí)時(shí)參數(shù)和已知 的參數(shù)，獲取發(fā)電機(jī)最小損耗時(shí)的磁鏈Ψ_，根據(jù)電壓值U及其他所需已知參數(shù)獲取實(shí)時(shí) 磁鏈測(cè)量值Ψ，然后二個(gè)磁鏈比較產(chǎn)生的誤差經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器2控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的雙饋異 步發(fā)電機(jī)的影響到磁鏈的參數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02P9/14GK104467586SQ201310421626
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】孫冠群, 陳衛(wèi)民, 蔡慧, 李剛, 郭永洪 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院