一種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法
【專利摘要】本發明公開了一種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法，它不需要風速檢測裝置就可判斷出風速突變，且不涉及復雜的控制算法，現場操作簡便。基于擾動觀察法，本發明在風速突變時以合適的擾動步長進行系統的最大功率點跟蹤控制，解決了風速突降時由于勵磁電流失調導致的發電機發生堵轉的問題，保證了開關磁阻電機風力發電系統運行的穩定性。該發電系統主要由風輪機、齒輪箱、功率變換器、母線電容、直流電源、直流負載、控制器、開關磁阻電機、信號濾波裝置以及信號檢測裝置組成。在開關磁阻電機風力發電系統的直流母線側加入輸出信號濾波裝置，可減小輸出功率的振蕩幅度，提高對最大功率點跟蹤的快速性。
【專利說明】-種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于風力發電領域，涉及一種實現開關磁阻電機風力發電系統最大功率點 跟蹤方法，適用于無風速檢測裝置的開關磁阻電機風力發電系統。

【背景技術】
[0002] 隨著能源枯竭和環境惡化，風能、太陽能等新能源呈現了迅速的發展趨勢，其中風 能以其可再生、清潔等優點在發電領域的地位越來越重要。
[0003] 目前在風力發電領域常采用的發電機有永磁發電機、普通感應發電機和雙饋發電 機。這幾種常規發電機在實際應用中的不足點有：永磁發電機制造成本很大；普通感應發 電機發電效率很低；雙饋發電機結構復雜，維護量大，發電效率也不高。與常規發電機相比， 開關磁阻發電機具有結構簡單，損耗小，成本低，耐高溫，無去磁效應，容錯能力高，中低速 運行時可省掉齒輪箱，運行效率高，易于并網等優點，使開關磁阻電機在風力發電系統中的 應用更具優勢。
[0004] 風輪機是風力發電系統的核心部件，為了使其所捕獲的能量得到最大限度利用， 提高發電效率，需要在額定風速以下對發電系統進行最大功率點跟蹤（簡稱MPPT)控制。 在已有眾多的最大功率點跟蹤方法中，擾動觀察法因其無需事先知道風輪機的相關參數， 易實現，且控制過程中發電系統運行相對平穩，省去了風速測量裝置，可靠性高等特點，被 廣泛采用于開關磁阻電機風力發電系統（簡稱發電系統）的最大功率點跟蹤控制中。擾動 觀察法的不足之處在于：由于風輪機輸出功率的變化滯后于風輪機機械功率的變化，當風 速突變時擾動觀察法對擾動步長的確定存在缺陷，不能給出正確的擾動步長，從而使發電 系統運行于不穩定狀態，情況嚴重時開關磁阻電機會發生堵轉，對整個發電系統運行十分 不利。這里的"風速突變"指風速變化引起發電機轉速變化量是原來轉速變化量的5倍以 上。另外，由于負載兩端的電容只起到提供勵磁電壓的作用，加上開關磁阻電機換相的影 響，母線電壓會波動變化，因此發電系統的輸出功率也會脈動變化，由于擾動觀察法控制中 是將系統輸出功率作為控制條件的，因此發電系統輸出功率的脈動變化會使最大功率點跟 蹤控制模塊對擾動步長的大小產生影響，降低整個發電系統對最大功率點的跟蹤速度。
[0005] 合理優化擾動觀察法，使開關磁阻電機風力發電系統在不需要安裝風速測量裝置 的條件下，就能夠可靠、準確的判斷風速是否發生突變，及時對開關磁阻電機勵磁電流給予 正確的擾動步長，保證發電系統對最大功率點跟蹤控制能夠快速、可靠的實現是亟待解決 的關鍵問題。


【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是：在開關磁阻電機風力發電系統中，本著提高發電 系統調節的快速性與穩定性原則，針對風速突變時最大功率點跟蹤控制實現困難的現象， 提出一種不需要風速檢測裝置就可判斷出風速突變的方法，可保障發電系統運行的穩定 性。另外，在發電系統直流母線側加入輸出信號（電流、電壓）濾波裝置，使最大功率點跟 蹤控制的快速性得到提高。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0008] 步驟1 :采集當前時刻（k時刻）經濾波后的母線電壓U(k)、電流I(k)以及開關磁 阻電機的轉速n(k);這里k為正整數，指的是采樣時刻；
[0009] 步驟2 :由步驟1采集到的電壓信號U(k)、電流信號I (k)，計算k時刻發電系統的 輸出功率P(k)，并利用前一時刻（k-1時刻）的發電系統輸出功率P(k-l)和開關磁阻電機 轉速n(k-l)分別計算k時刻的輸出功率增量dP(k) =P(k)-P(k-l)和轉速增量dn(k)= n(k)_n(k_l);
[0010] 步驟3 :判斷是否到達發電系統輸出功率的最大點，若到達最大功率點，執行步驟 7 ;若沒有到達最大功率點，執行步驟4 ;
[0011] 步驟4:判斷風速是否發生突變，若風速發生了突變，則該條件滿足，執行步驟6 ; 若風速沒有發生突變，則該條件不滿足，執行步驟5 ;
[0012] 步驟5 :步驟4中的條件不滿足，采用一般的擾動觀察法，即步長

【權利要求】
1. 一種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法，其特征在于：基于擾動觀察 法，本發明公布的最大功率方法實現步驟如下： 步驟1 :采集當前時刻（k時刻）母線電壓U(k)、電流I(k)以及開關磁阻電機轉速 n (k);這里k為正整數，指的是采樣時刻； 步驟2 :由步驟1采集到的電壓信號U(k)、電流信號I (k)，計算k時刻開關磁阻電機 風力發電系統的輸出功率P(k)，并利用前一時刻系統輸出功率P(k-l)和開關磁阻電機轉 速n(k-l)分別計算k時刻的功率和轉速增量分別為dP(k) =P(k)-P(k-l)和dn(k)= n(k)_n(k_l)； 步驟3:判斷是否到達開關磁阻電機風力發電系統輸出功率最大點，若到達，執行步驟 7 ;若沒有到達，執行步驟4 ; 步驟4 :判斷風速是否發生突變，若風速發生了突變，則該條件滿足，執行步驟6 ;若風 速沒有發生突變，則該條件不滿足，執行步驟5 ; 步驟5 :步長I
an(k)尹0。下一時刻的勵磁電流由下式⑴決定：
) 步驟6 :步長δ = A,此時下一時刻的勵磁電流由下式（2)決定：
步驟7 :返回步驟1，開始下一時刻（k+Ι時刻）的擾動控制，則上一時刻的參量傳遞到 下一時刻，即 k = k+1，k_l = k，k_2 = k_l。
2. 根據權利要求I所述一種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法，其特征 在于：采用風速突變前后開關磁阻發電機轉速的變化特點來確定風速是否發生突變，即判 斷風速突變的依據為：Idn(k) I是否大于I1，且|dn(k-1) I是否小于ξ2;若風速發生了突 變，則該條件滿足；若風速沒有發生突變，則該條件不滿足。
3. 根據權利要求1所述一種開關磁阻電機風力發電系統最大功率點跟蹤方法，其特征 在于：該開關磁阻電機風力發電系統工作過程如下： 步驟1 :啟動階段，系統上電，開關磁阻電機以電動方式運行至額定轉速； 步驟2 :調節開關磁阻電機的開通角和關斷角，使其運行在發電狀態； 步驟3 :功率變換器自勵運行； 步驟4 :自勵模式下，采用電流斬波控制（簡稱CCC)法，檢測裝置將檢測到的開關磁阻 發電機轉速、電流以及經濾波裝置濾波后的母線電壓、電流信號送到控制器，控制器將采集 到的信號處理之后驅動功率變換器中的開關器件，進行擾動控制，實現最大功率點跟蹤調 節，進而使風輪機所捕獲的電能盡可能多的通過開關磁阻發電機供到直流負載； 步驟5 :是否停機，若是，則手動切除電源，系統停止運行；若否，執行步驟4。
4. 根據權利要求3所述開關磁阻電機風力發電系統最大功率跟蹤控制方法的特征在 于：在開關磁阻電機風力發電系統直流母線側加入輸出信號濾波裝置，可以減小母線輸出 功率的波動，提高最大功率跟蹤的快速性。
【文檔編號】H02P9/04GK104378033SQ201410553554
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】宋受俊, 林亞利, 張蔓 申請人:西北工業大學