风力发电系统最大功率的捕获方法、系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术提供一种风力发电系统最大功率的捕获方法，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；其特征在于：通过一最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

Capture Method, System and Realization Method of Maximum Power for Wind Power Generation System

The invention provides a method for capturing the maximum power of a wind power generation system, which is a permanent magnet synchronous wind power generation system. The wind power generation system is mainly composed of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, a rectifier, a SEPIC chopper and a fixed voltage storage battery. The wind turbine captures wind energy and drives the rotor of the permanent magnet synchronous generator to rotate to generate current, and the current is rectified. The output voltage of SEPIC chopper is the fixed voltage of the battery group by converting direct current to SEPCI chopper. Its characteristics are that the S switch of the SEPIC chopper is connected by a maximum power point tracking controller, and the rotate speed of the wind turbine is controlled by controlling the duty ratio of the S switch of the SEPIC chopper, so that the rotate speed of the wind turbine keeps close to the maximum power point of the output. In order to capture the maximum power of permanent magnet synchronous wind turbine system.

【技术实现步骤摘要】
风力发电系统最大功率的捕获方法、系统及其实现方法
本专利技术涉及风力发电领域，特别是涉及一种永磁同步风力发电机系统最大功率的捕获方法、捕获系统及该系统的实现方法。
技术介绍
煤炭、石油、天然气等是应用最为广泛的能源，它们都是不可再生的化石资源，而风能是一种经济、环境友好型、且储量巨大的可再生资源，因此世界各国都在加紧对风能的开发和利用。风力发电是目前世界上利用风能的主要形式，由于风力发电具有良好的前景，开发利用风力资源对于缓解能源短缺、保护生态环境具有重要意义，而且风力发电系统具有占地面积小、可用性广泛、经济竞争力等优势。在风力发电系统中的风速、风向以及风的强度等都具有随机性、瞬变性，因此为了保证风力发电系统的持续最大功率发电，专利技术一种能够自动调整风轮机转速进而捕获风力发电的最大功率点，对风力发电系统具有重大意义。目前变速风电系统一般采用最大功率点追踪控制策略。因此，为了让永磁同步风力发电机最大限度地获得风能，许多学者对此进行了研究，目前主要提出了以下几种最大功率点追踪的方法：最优叶尖速比法、功率信号反馈法、直线扰动法、爬山搜索法等等。(A)最优叶尖速比法需要通过测量风速和转速才能获得，还需要知道风力机最佳叶尖速比曲线，这与风力机和发电机的特性，以及采用的变频器拓扑结构等环境因素有关，因此为其实际应用带来了一定的困难。(B)功率信号反馈法减少了风速测量环节，但需要获得最大功率和转速的特性曲线，即事先要知道不同转速所对应的最佳叶尖速比的值，同时转速的测量还需要专门的测量装置，增加了系统的成本。(C)直线扰动法的最大功率逼近直线离实际的最大功率点有误差，同时，需要测量不同风速下最大功率点的坐标，不同的风力机和不同负载时，所获得的最大功率逼近直线也不相同。(D)爬山搜索法既不需要测风速也不需要测转速，采用比较容易测量的整流器输出端的直流电压和电流来计算风机输出功率大小，因此该控制方法比较容易实现。但搜索到最大功率点时，系统并未停止扰动，会在最大功率点附近来回扰动，这造成了功率的浪费。若减小扰动量功率浪费会变小，但这又影响了最大功率点的跟踪速度，增大扰动量跟踪速度会提高，但又增大了最大功率点附近的功率损失。除此之外，目前关于风电最大功率捕获的研究，仿真结果往往难以直接移植到实际控制站中。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种永磁同步风力发电机系统风力发电系统最大功率的捕获方法、捕获系统及该系统的实现方法，在传统爬山法的基础上进行了改进，从而提高了风电最大功率点的跟踪速度，减小了扰动功率的浪费，能够解决传统的最优叶尖速比法、功率信号反馈法等方法在实际应用中实现困难、成本高等问题。本专利技术的捕获方法是这样实现的：一种风力发电系统最大功率的捕获方法，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电为提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；通过一最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。进一步的，所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制S开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制S开关的占空比加大。进一步的，测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率P(n)和P(n+1)，若两个输出功率的差值处于很小的范围，则风轮机转速的爬山速度Δω应加大，扰动值加大，则控制S开关的占空比加大；两个输出功率的差值处于较大的范围时，风轮机转速的爬山速度Δω变小，扰动值变小，则控制S开关的占空比减小，直到达到最大功率点时停止扰动。本专利技术的捕获系统是这样实现的：一种风力发电系统最大功率的捕获系统，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电为提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；还包括一最大功率点跟踪控制器，该最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。进一步的，所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制S开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制S开关的占空比加大。进一步的，控制SEPIC斩波器的S开关的占空比的过程是：测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率P(n)和P(n+1)，若两个输出功率的差值处于很小的范围，则控制S开关的占空比加大；两个输出功率的差值处于较大的范围时，则控制S开关的占空比减小，直到达到最大功率点时停止扰动。进一步的，所述大功率点跟踪MPPT控制器还连接所述风轮机，以对所述风轮机的浆距角和偏航角进行控制。本专利技术的风力发电系统最大功率的捕获系统的实现方法的技术方案是：一种风力发电系统最大功率的捕获系统的实现方法，包括：步骤S1、根据所述永磁同步风力发电机系统的组成以及特点，建立风电最大功率捕获控制的数学模型；步骤S2、设计最大功率点跟踪控制器的结构，并确定最大功率点跟踪控制器的控制参数为所述SEPIC斩波器的S开关的占空比；步骤S3、根据爬山法的特点以及永磁同步风力发电机系统的特点，对变速爬山法进行优化，得到风轮机输出功率的最大功率点的跟踪策略；步骤S4、在组态软件中开发并封装SEPIC斩波器控制元件，实现永磁同步风力发电机系统最大功率的捕获控制系统并完成仿真。进一步的，所述风电最大功率捕获控制的数学模型是：风轮机产生的机械力矩为：其中，所述ρ是空气密度，R是风轮机的半径，VW是风速大小，CP是风能利用系数，且是叶尖速比λ和桨距角β的关系函数，它是评价风能转化效率的依据，取值范围为(0，1)；在风的密度ρ和风轮机半径R不变的情况下，当风速一定时，风轮机产生的机械力矩则是风轮机转速ωr的函数，则通过控制风轮机转速ωr的大小来追踪最大风能捕获点。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术通过设置最大功率点跟踪控制器，该最大功率点跟踪控制器连接在风力发电系统上的SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。(2)本专利技术在控制风轮机的转速时，在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制S开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制S开关的占空比加大，即在传统爬山法的基础上进行了改进，从而提高了风电最大功率点的跟踪速度，减小了扰动功率的浪费，节约资源，从而解决了传统的最优叶尖速比法、功率信号反馈法等方法在实际应用中实现困难、成本高等问题。(3)本专利技术还将风力发电系统的最大功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电系统最大功率的捕获方法，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；其特征在于：通过一最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。

【技术特征摘要】
1.一种风力发电系统最大功率的捕获方法，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；其特征在于：通过一最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。2.根据权利要求1所述的所述风力发电系统最大功率的捕获方法，其特征在于：所述风轮机的转速的控制策略是：在风轮机的输出功率离最大功率点远时，则控制S开关的占空比加大；在风轮机的输出功率离最大功率点近时，则控制S开关的占空比加大。3.根据权利要求2所述的所述风力发电系统最大功率的捕获方法，其特征在于：测量风轮机在一测量周期前后两个时刻n和n+1的输出功率P(n)和P(n+1)，若两个输出功率的差值处于很小的范围时，则风轮机转速的爬山速度Δω应加大，扰动值加大，则控制S开关的占空比加大；两个输出功率的差值处于较大的范围时，风轮机转速的爬山速度Δω变小，扰动值变小，则控制S开关的占空比减小，直到达到最大功率点时停止扰动。4.一种风力发电系统最大功率的捕获系统，所述风力发电系统为永磁同步风力发电机系统，主要由风轮机、永磁同步发电机、整流器、SEPIC斩波器和固定电压的蓄电池组成；所述风轮机捕获风能并带动所述永磁同步发电机的转子旋转产生电流，电流经整流器转化成直流电提供给SEPCI斩波器，使SEPIC斩波器的输出电压为该蓄电池组的固定电压；其特征在于：还包括一最大功率点跟踪控制器，该最大功率点跟踪控制器连接所述SEPIC斩波器的S开关，以通过控制SEPIC斩波器的S开关的占空比来控制风轮机的转速，使风轮机的转速不断靠近输出的最大功率点，从而捕获永磁同步风力发电机系统最大功率。5.根据权利要求4所述的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑松，庄晓芳，江丹玲，李贝贝，王亮亮，毕超，郑蓉，王百灵，
申请(专利权)人：爱普福建科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35