[发明专利]基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法

说明书

本发明涉及一种基于占空比的小型风力发电机MPPT优化控制方法，该方法应用于与小型风力发电机相连接的升降压变换器中，在小型风力发电机的每一工作周期中首先基于P‑D曲线的斜率确定追踪方式以及追踪步长，再基于P‑D曲线的斜率和小型风力发电机的输出功率确定升降压变换器的PWM信号占空比的变化方向，最终得到下一工作周期中升降压变换器的PWM信号的占空比，实现最大功率点跟踪控制。本发明实现了风能追踪的高稳定性和高响应速度，工作风速范围广，能够最大限度利用风能，带负载能力强，能够在较宽的风速范围追踪最大风能。

技术领域

本发明属于新能源领域，具体涉及一种小型风力发电设备中使用的MPPT控制方法。

背景技术

目前，1～10KW的小型风力发电机发展速度较快，解决了无电、少电的农牧、渔民的基本生活用电问题。但是现有的大部分小型风力发电机的输出直接对蓄电池进行充电，使得风能利用系数很低，一般在0.3左右。

小型风力发电机的输出电压、电流、功率受风况和负载的变化影响，为了充分利用小型风力发电机发电，需要实时获取小型风力发电机最大功率，提高小型风力发电机的利用效率，对小型风力发电机进行最大功率点跟踪控制。如果充分地利用风力发电机最大功率点跟踪控制则可以提高年发电量20％～30％左右。

由于风速具有随机性和间歇性，并不总是在额定风速之上运行，风力发电机大多处在额定风速以下运行，因此需要在较宽的范围内保持最大功率点跟踪，从而提高风力发电机的利用效率，获取更多的能量。

小型风力发电机最大功率追踪方法很多，不同的应用方法在实际的使用过程中存在优缺点，基于占空比扰动观察方法，不需要测风装置，不需要知道风轮的空气动力特性，直接把占空比作为控制参数，减少了控制器设计的难度。

根据电路理论可知，在线性电路中，当外部负载阻抗与电源内阻阻抗成共轭时，可以获得最大输出功率，在小的时间间隔里，可以把整个系统看成是线性电路，DC/DC变换电路在MPPT中起到的作用实质就是一个阻抗变换器，起到阻抗变换的作用。即可以通过调整PWM信号的占空比D来调节斩波器的输入电阻，使其等于风力发电机阻抗的变化，因此DC/DC变换电路和负载电阻可以看成是外部阻性负载，可以通过调节DC/DC变换器来实现等效负载电阻，进而实现发电机输入、输出特性与负载阻抗匹配，使发电机工作在最佳工作点，从而控制风力机转速，实现最大功率输出，系统结构图如图1所示。

由于风速的随机性以及一些参数的不确定性，调整占空比D时存在着调整步长大小的选择问题。若步长过大，输出功率在最大输出功率P_max点附近波动就会加大，造成功率损失，降低风能转换效率，系统稳态误差变大；如果步长过小，跟踪时间就会变长，影响系统的动态响应速度。

小型风力发电机MPPT控制实际上是根据风速的变化来调节发电机达到最佳转速，小型风力发电机转轴上输入的机械功率大于发电机的输出功率时，发电机的转速就会增加；反之，转速则会下降。因此可以通过控制DC/DC变换器触发脉冲的占空比就可以调节小型风力发电机和负载的之间的功率传输关系，从而实现对发电机的转速控制，即增加触发脉冲的占空比，传输到负载上的电功率将增加，发电机输入的机械功率小于输出的电功率，转速就会减少；反之，减少触发脉冲的占空比，则传输到负载上的电功率也将减少，发电机输入的机械功率大于输出的电功率，转速就会升高。因此控制DC/DC变换器PWM信号的占空比就可以控制发电机的输出电功率，进而控制发电机转速。

传统的风力发电系统的DC/DC变换器大多采用降压变化器(Buck Chopper)或者采用升压变换器(Boost Chopper)，当风速较低时，直流电压很低，不利于利用风能；当风速较高时，直流电压又很高，不利于降压保护，所以无论升压或降压变换器都使得风力发电机MPPT工作在一个较窄的范围内。