CN103384079A - 中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法及其跟踪电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，包括：得到风力发电机组在不同风速下的最大功率点所对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线；实时采集经三相整流后的风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到与所述风机电压相对应的给定基准电流；实时采集经三相整流后的风机电流，得到风机平均电流；将风机平均电流与给定基准电流进入比例积分控制器进行PI积分调节，调节后输出至BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端进行反馈控制。本发明还公开了一种中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪电路。由于无需测量风速，简单、实用、可靠，特别适用于20KW以下的中小型直驱风力发电机组。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是一种中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法及其跟踪电路。
背景技术
在风力发电系统中最大功率点的跟踪问题是极为突出的重点问题，根据风速变化的情况调节风机转速，使其运行于最大功率点，从而捕获最大风能。传统的最大功率跟踪方法主要有以下三种：
第一，最优叶尖速比法：即当风速变化时要维持风力机的叶尖速比始终保持在最佳值处，这样任何风速下风力机对风能的利用率都最大，此法是最大功率跟踪最直接的实现思想，在风速测量准确的前提下，具有很好的准确性和反应速度。然而，此法的缺点是：需要测量风速、转速，而风速难以准确测得，影响控制精度；由于风速的随机性和不确定性，会引起风力机输出功率的剧烈波动；系统复杂、成本高、可靠性低。
第二，功率信号反馈法：通过测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机最大输出功率Pmax,将它作为风力机的输出功率给定值Pref，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调解器对风力机进行控制，以实现最大功率点的跟踪。此法的缺点是需要检测转速，对小型风电系统来说，比较复杂。
第三，爬山搜索法：给风力机的输出电流一个扰动，根据发电机输出功率来确定电流增量，通过控制发电机的输出电流来控制风机的功率。此法的缺点是风速变化快，难以有效跟踪。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种无需测量风速、能够对最大功率进行简单、实用、可靠跟踪的中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）得到风力发电机组在不同风速下的最大功率点所对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线；
（2）实时采集经三相整流后的风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到与所述风机电压相对应的给定基准电流；实时采集经三相整流后的风机电流，得到风机平均电流；
（3）将风机平均电流与给定基准电流进入比例积分控制器进行PI积分调节，调节后输出至BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端进行反馈控制。
所述最大功率电压电流特性曲线通过测试、厂家给定或者自动搜索的方法得到。
所述风机平均电流由采集的风机电流的总和除以采集次数而得到。
本发明的另一目的在于提供一种实施中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法的跟踪电路，包括风机整流输入电路，其输出端与BUCK电路或BOOST电路的输入端相连，BUCK电路或BOOST电路的输出端接蓄电池，用于采集风机电压、风机电流的采样电路与单片机控制电路的信号输入端相连，单片机控制电路的信号输出端通过驱动电路与BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端相连，单片机控制电路内的存储器存储最大功率电压电流特性曲线。
所述BUCK电路包括电解电容C1，其跨接在风机整流输入电路的输出端上，电解电容C1的正极接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极与驱动电路的输出端相连，MOS管Q1的源极分别与二极管D1的阴极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别与电解电容C2的正极、二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与蓄电池B的正极相连，二极管D1的阳极分别与电解电容C2的负极、蓄电池B的负极相连；卸载电路接在风机整流输入电路与BUCK电路之间；所述采样电路包括用于采集风机电压的电压传感器，以及用于采集风机电流的电流传感器，电压传感器、电流传感器的输出端均与单片机控制电路的信号输入端相连，单片机控制电路的信号输出端与驱动电路的输入端相连。
所述卸载电路由卸荷电阻R1和MOS管Q2组成，卸荷电阻R1的一端接电解电容C1的正极，另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源极与二极管D1的阳极相连。
由上述技术方案可知，本发明通过测试、厂家给定或自动搜索的方法得到风力发电机组的在不同风速下的最大功率点对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线，或近似压最大功率电压电流特性曲线；通过实时检测三相整流后风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到对应的给定基准电流，再采集计算风机平均电流，对DC-DC变换器环节进行反馈控制，从而实现风机最大功率跟踪。由于无需测量风速，简单、实用、可靠，特别适用于20KW以下的中小型直驱风力发电机组。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是本发明的最大功率电压电流曲线图；
图4是通过变电阻测试方法得到的风机电压和风机电流对应表。
具体实施方式
一种中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）得到风力发电机组在不同风速下的最大功率点所对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线；（2）实时采集经三相整流后的风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到与所述风机电压相对应的给定基准电流；实时采集经三相整流后的风机电流，得到风机平均电流；（3）将风机平均电流与给定基准电流进入比例积分控制器进行PI积分调节，调节后输出至BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端进行反馈控制。所述最大功率电压电流特性曲线通过测试、厂家给定或者自动搜索的方法得到。所述风机平均电流由采集的风机电流的总和除以采集次数而得到，比如，采集20次，则取20次的平均风机电流。
对中小型直驱型风力发电系统，在实践中发现，在一定的风速下，调节发电机的输出电流，发电机的输出功率会随之发生变化。在一定的风速下，存在一个输出电压和输出电流，此时的输出功率最大，这就是风力机在一定风速下的最大功率电压电流点。将补贴风速下测试到的最大功率电压电流点连成曲线，就是该风力机最大功率电压电流特性曲线，如图3所示。
得到最大功率电压电流特性曲线，测试的方法可以采用变电阻法，即采用风洞或车载的方式，控制风速在1米每秒，风机整流后接入不同的负载，测出一组数据，记录此时的发电功率，风机电压和风机电流，如图4所示，找到最大功率点，此最大功率点不是最大电阻或最小电阻对应的点。如果是，还要继续变化电阻，直到电阻不论增大还是减少，风机的输出功率都会下降，则此负载电阻对应的是最大功率点。依次测试各种风速下的最大功率点，测试的数据多少可以根据需要而定。将测试后的最大功率点找出来，绘制车曲线，就是该风机的最大功率电压电流特性曲线，如图3所示。
如图1、2所示，本电路包括风机整流输入电路1，其输出端与BUCK电路或BOOST电路的输入端相连，BUCK电路或BOOST电路的输出端接蓄电池，用于采集风机电压、风机电流的采样电路与单片机控制电路3的信号输入端相连，单片机控制电路3的信号输出端通过驱动电路4与BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端相连，单片机控制电路3内的存储器存储最大功率电压电流特性曲线。
如图2所示，所述BUCK电路包括电解电容C1，其跨接在风机整流输入电路1的输出端上，电解电容C1的正极接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极与驱动电路4的输出端相连，MOS管Q1的源极分别与二极管D1的阴极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别与电解电容C2的正极、二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与蓄电池B的正极相连，二极管D1的阳极分别与电解电容C2的负极、蓄电池B的负极相连；卸载电路2接在风机整流输入电路1与BUCK电路之间；所述采样电路包括用于采集风机电压的电压传感器，以及用于采集风机电流的电流传感器，电压传感器、电流传感器的输出端均与单片机控制电路3的信号输入端相连，单片机控制电路3的信号输出端与驱动电路4的输入端相连。
如图2所示，所述卸载电路2由卸荷电阻R1和MOS管Q2组成，卸荷电阻R1的一端接电解电容C1的正极，另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源极与二极管D1的阳极相连。风机通过三相不控整流后，采用BUCK电路或BOOST电路实现对蓄电池B的充电，通过二级管D2实现对蓄电池B的防反功能；在整流后，BUCK电路之前，通过卸荷电阻R1和MOS管Q2实现对风机的卸载。
综上所述，本发明通过测试、厂家给定或自动搜索的方法得到风力发电机组的在不同风速下的最大功率点对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线，或近似压最大功率电压电流特性曲线；通过实时检测三相整流后风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到对应的给定基准电流，再采集计算风机平均电流，对DC-DC变换器环节进行反馈控制，从而实现风机最大功率跟踪。由于无需测量风速，简单、实用、可靠，特别适用于20KW以下的中小型直驱风力发电机组。
Claims (6)
1.一种中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）得到风力发电机组在不同风速下的最大功率点所对应的风机输出电压和输出电流，即最大功率电压电流特性曲线；
（2）实时采集经三相整流后的风机电压，根据最大功率电压电流特性曲线，得到与所述风机电压相对应的给定基准电流；实时采集经三相整流后的风机电流，得到风机平均电流；
（3）将风机平均电流与给定基准电流进入比例积分控制器进行PI积分调节，调节后输出至BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述最大功率电压电流特性曲线通过测试、厂家给定或者自动搜索的方法得到。
3.根据权利要求1所述的中小直驱风力发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述风机平均电流由采集的风机电流的总和除以采集次数而得到。
4.实施权利要求1至3中任一项所述方法的跟踪电路，其特征在于：包括风机整流输入电路，其输出端与BUCK电路或BOOST电路的输入端相连，BUCK电路或BOOST电路的输出端接蓄电池，用于采集风机电压、风机电流的采样电路与单片机控制电路的信号输入端相连，单片机控制电路的信号输出端通过驱动电路与BUCK电路或BOOST电路的驱动输入端相连，单片机控制电路内的存储器存储最大功率电压电流特性曲线。
5.根据权利要求4所述的跟踪电路，其特征在于：所述BUCK电路包括电解电容C1，其跨接在风机整流输入电路的输出端上，电解电容C1的正极接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极与驱动电路的输出端相连，MOS管Q1的源极分别与二极管D1的阴极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别与电解电容C2的正极、二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与蓄电池B的正极相连，二极管D1的阳极分别与电解电容C2的负极、蓄电池B的负极相连；卸载电路接在风机整流输入电路与BUCK电路之间；所述采样电路包括用于采集风机电压的电压传感器，以及用于采集风机电流的电流传感器，电压传感器、电流传感器的输出端均与单片机控制电路的信号输入端相连，单片机控制电路的信号输出端与驱动电路的输入端相连。
6.根据权利要求5所述的跟踪电路，其特征在于：所述卸载电路由卸荷电阻R1和MOS管Q2组成，卸荷电阻R1的一端接电解电容C1的正极，另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源极与二极管D1的阳极相连。
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