最大功率点跟踪控制策略介绍

对运行在低于额定风速条件下的变速风力发电机的控制，是通过控制放电机实现的。这种控制的主要目标是在不同的风速下实现风力发电机捕获功率的最大化，可通过将叶尖速度比维持在其最佳值处，同时调节风力发电机转速的方式来实现。

图9-21给出了运行在不同风速条件下的风力发电机的典型特征曲线，其中PM和ωM分别为风力发电机的机械功率和机械转速。PM和ωM之间的关系曲线，是在叶片攻角被设定为其最佳值时获得的。

对于给定的风速，当风力发电机转速达到最佳叶尖速比λT，opt时，每条功率曲线均具有一个最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。为了在不同风速条件下均产生最大的功率，必须对风力发电机的转速进行调节，以确保其总运行在最大功率点处。所有最大功率点的轨迹连起来即为功率曲线，其数学关系可描述为

风力发电机捕获的机械功率与转矩之间的关系还可表示成

式中，TM——风力发电机的机械转矩。

将式(9-8)代入式(9-9)中，可得

风力发电机的机械功率、转速和转矩之间的关系，可用于确定最佳转速或转矩，并可据此实现发电机的控制和最大功率运行。为了实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，人们开发了多种有效的控制方案，下面将分别介绍3种最大功率点跟踪方法。

风力发电机功率—转速特性和最大功率点运行如图9-22所示，风力发电机的运行可分为3种模式：停机模式、发电控制模式和变桨距控制模式。

图9-22　风力发电机功率—转速特性和最大功率点运行

(1)停机模式：当风速低于风力发电机系统的切入风速时，其产生的功率低于内部消耗功率，因此风力发电机处于停机模式。此时叶片处于完全顺风状态，机械制动器处于开启状态。

(2)发电控制模式：当风速处于切入风速和额定风速之间时，叶片将以其最佳功角运行。为了在不同风速条件下均可实现最大功率点跟踪，风力发电机将以不同的转速运行。这过程需通过对发电机进行正确的控制来实现。

(3)变桨距控制模式：当风速高于额定风速，但低于切出风速时，在系统发电并以额定功率向电网输电的过程中，为避免风力发电机遭到损坏，可通过变桨距控制机构将风力发电机的捕获功率保持在一个恒定值上。此时，随着风速的增加，叶片将逐步旋转至顺风方向，并随之控制发电机的转速。(www.xing528.com)

当风速达到或超过切出风速时，叶片将被转至完全顺桨状态，此时叶片将不再捕获功率。风力机转速也将下降至0。为避免强风损坏风力发电机，风力发电机将被锁定并进入停机模式。

1)基于风力机功率曲线的最大功率点跟踪控制

在众多最大功率点跟踪方法中，可以以制造商提供的功率和风速关系曲线为依据进行控制，即基于风力发电机功率曲线的最大功率点跟踪控制方法。这里的功率曲线定义为风力发电机在不同风速条件下可产生的最大功率值。风速由风速传感器实时采集获得。根据制造商提供的最大功率点跟踪曲线，将得到的功率参考值输入至发电机控制系统中，此时即可对功率参考值与发电机测量的实际功率Pm进行比较，进而产生用于电力变流器的控制信号。通过电力变流器和发电机的控制，系统进入稳态后，发电机的机械功率Pm将与其参考值相等，系统进入最大功率运行状态。需要说明的是，上面的分析中忽略了变速箱和传动系统的功率损耗，因此发电机的机械功率Pm与风力发电机产生的机械功率Pm相等。基于风力发电机功率曲线的最大功率点跟踪控制简化框图，如图9-23所示。

图9-23　基于风力发电机功率曲线的最大功率点跟踪控制简化框图

2)基于最佳叶尖速度比的最大功率点跟踪控制

采用这种控制方法时，将叶尖速度比保持在其最佳值λT，opt，即可实现风力电发机的最大功率运行。图9-24基于最佳叶尖速度比的最大功率点跟踪控制方案简化框图，其中，根据最佳叶尖速度比λT，opt测得的风速vw，将被用于计算发电机转速参考值ω*M。发电机的转速由功率变流器进行控制，进入稳态后，该转速将与其参考值相等，此时即实现了最大功率点跟踪控制。

图9-24　基于最佳叶尖速度比的最大功率点跟踪控制方案简化框图

3)基于最优转矩控制的最大功率点跟踪控制

由式(9-10)可知，风力发电机的机械转矩TM与其转速ωM之间为三次方函数关系，所以还可通过最优转矩控制来实现风力发电机的最大功率运行。对于给定的传动比，若忽略变速箱和传动链造成的机械功率损耗，则风力发电机的机械转矩TM和转速ωM将可以变换为发电机的机械转矩Tm和转速ωm。图9-25为基于最优转矩控制的最大功率点跟踪控制简化框图，其中测得的发电机转速ωm将被用于计算期望的转矩参考值。可根据发电机的标称参数计算最佳转矩系数Kopt。通过反馈控制，进入稳态后，发电机转矩Tm将与其参考值相等，此时即实现了最大功率点跟踪控制。需要注意的是，本控制方案不需要使用风速传感器。

图9-25　基于最优转矩控制的最大功率点跟踪控制简化框图