[發(fā)明專(zhuān)利]一種最大功率跟蹤的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210092784.6
• 申請(qǐng)日: 2012-03-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102664411A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬大中;張化光;梁軍勝;郭靖;崔瑾;孫秋野;陳斯;李昕同;李玉帥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02J3/01
• 分類(lèi)號(hào): H02J3/01;H02J7/14;G05F1/67
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大專(zhuān)利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種最大功率跟蹤的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：包括發(fā)電模塊、變流模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊、本地直流負(fù)載和本地交流負(fù)載；

所述發(fā)電模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和蓄電池組；

所述蓄電池組中，各蓄電池之間并聯(lián)，蓄電池控制器通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行控制；

所述變流模塊包括有源電力濾波器、整流電路、斬波電路、逆變電路和三相濾波器；

所述控制模塊包括ARM處理器、蓄電池控制器、觸發(fā)電路和最大功率跟蹤控制器；

所述檢測(cè)模塊包括信號(hào)采集電路和AD轉(zhuǎn)換器；

所述信號(hào)采集電路包括電壓采集電路和電流采集電路；

系統(tǒng)的具體連接是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連接有源電力濾波器的輸入端，有源電力濾波器的輸出端連接整流電路的輸入端，整流電路的輸出端連接斬波電路輸入端，斬波電路輸出端分別連接蓄電池組的輸入端、本地直流負(fù)載輸入端和逆變電路輸入端，逆變電路的輸出端經(jīng)三相濾波器與本地交流負(fù)載連接；

信號(hào)采集電路輸入端分別連連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出端和三相濾波器的輸出端，信號(hào)采集電路的輸出端與AD轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，AD轉(zhuǎn)換器的輸出端與ARM處理器的AD轉(zhuǎn)換端口相連，蓄電池控制器的輸入端與ARM處理器的IO端口相連，蓄電池控制器輸出端連接蓄電池組，蓄電池組通過(guò)控制開(kāi)關(guān)連接至斬波電路的輸出端，最大功率跟蹤控制器的輸入端與ARM處理器的IO端口相連，最大功率跟蹤控制器的輸出端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相連，觸發(fā)電路輸入端與ARM處理器IO端口相連，觸發(fā)電路輸出端與逆變電路輸入端相連。

2.如權(quán)利要求1所述的最大功率跟蹤的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：采集電網(wǎng)中的電壓瞬時(shí)值和電流瞬時(shí)值，并進(jìn)行諧波檢測(cè)，計(jì)算出電壓諧波的總畸變率：對(duì)電壓采集電路和電流采集電路采集到的采樣序列進(jìn)行處理，通過(guò)傅里葉變換的方式得出此刻各次諧波波形，求出電壓諧波的總畸變率THD_U(％)：

THDU=UhU1×100=Σi=2nUn2U1×100]]>

式中：U_n-第n次諧波電壓有效值；

U₁-基波電壓有效值；

U_b-總諧波電壓的有效值；

其中，諧波次數(shù)i＝2，…n；

步驟2：檢測(cè)電壓波動(dòng)：

步驟2.1：將波動(dòng)電壓看成以工頻額定電壓為載波、其電壓幅值受頻率范圍在0.05～35Hz的電壓波動(dòng)分量調(diào)制的調(diào)幅波，工頻電壓u(t)的瞬時(shí)表達(dá)式：

u(t)=A[1+Σi=1nmicos(Ωit+ψi)]cos(ωt+θ);---(6)]]>

式中：

A-工頻載波電壓的幅值，

ω-工頻載波電壓的角頻率，

m_i-調(diào)幅波i幅值與載波幅值之比，

Ω_i-調(diào)幅波i的角頻率，

ψ_i-調(diào)幅波i的初相角，

θ-工頻載波電壓的初相角；

步驟2.2：設(shè)定只含有一個(gè)單頻率的調(diào)幅波的待測(cè)電壓對(duì)工頻載波的調(diào)制，即含有電壓波動(dòng)的待測(cè)電壓信號(hào)u(t)的瞬時(shí)表達(dá)式為：

u(t)＝A(1+mcosΩt)cosωt；?????????(7)

式中：

m-調(diào)波電壓的幅值，

Ω-調(diào)波電壓的角頻率；

對(duì)(7)式兩邊平方得：

u2(t)=A22(1+m22)(1+cos2ωt)+A2[mcosΩt+m24cos2Ωt]]>

+m28cos2(ω+Ω)t+m2cos(2ω+Ω)t+m2cos(2ω-Ω)t]---(8)]]>

≈A22+mA2cosΩt+A22cos2ωt]]>

步驟2.3：濾去0.05～35Hz以外的直流分量和工頻及以上的頻率分量，得出調(diào)幅波，即電壓波動(dòng)，其輸出值d≈mA²cosΩt；

步驟3：依據(jù)國(guó)家指標(biāo)，在低壓即U_N≤1KV、變動(dòng)頻度1＜r≤10的情況下，電壓波動(dòng)的限值為d₀(％)＝3，而0.38Kw的波源產(chǎn)生的電壓總畸變率設(shè)定系統(tǒng)最大功率跟蹤指標(biāo)λ，定義λ＝d/3+THD_U/2.6，則對(duì)于該指標(biāo)有兩個(gè)不同的限度，分別為合格限度和優(yōu)質(zhì)限度，合格限度：λ0=d0/3+THDU0/2.6=3/3+2.6/2.62=1,]]>優(yōu)質(zhì)限度：λ₁＝0.1；

步驟4：通過(guò)ARM處理器對(duì)采集來(lái)的信息進(jìn)行處理，反饋到最大功率跟蹤控制器，以確定最大功率跟蹤方式并進(jìn)行最大功率跟蹤：

步驟4.1：判斷λ≤λ₀是否成立，若不成立，則在p₀點(diǎn)進(jìn)行恒定功率跟蹤，即保持額定功率p₀跟蹤；若成立，則繼續(xù)進(jìn)行步驟4.2的判斷；

所述恒定功率跟蹤，具體步驟如下：

步驟4.1.1：結(jié)果輸入ARM處理器中，ARM處理器發(fā)出的PWM波作用于最大功率跟蹤控制器，通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

步驟：4.1.2：根據(jù)即通過(guò)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到功率恒定；

式中：

C_Pmax-最大風(fēng)能利用系數(shù)，

ρ-空氣密度，

S-風(fēng)機(jī)掃過(guò)的面積，

R-槳葉半徑，

λ_opt-最優(yōu)葉尖速比，

ω_m-風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

步驟4.2：通過(guò)測(cè)量獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω_T；

步驟4.3：在不同風(fēng)速下測(cè)得的風(fēng)機(jī)最大功率繪成最優(yōu)功率曲線，在曲線的最大值處獲得此時(shí)輸出功率的參考值P_ref；

步驟4.4：計(jì)算風(fēng)機(jī)此時(shí)的運(yùn)行功率P；

步驟4.5：判斷λ≥λ₁是否成立，若成立，則繼續(xù)進(jìn)行步驟4.6的跟蹤方式，若不成立則進(jìn)行步驟4.7的跟蹤方式；

步驟4.6：用功率反饋法來(lái)進(jìn)行最大功率跟蹤：

步驟4.6.1：通過(guò)最優(yōu)功率曲線判斷P與P_ref的大小關(guān)系；

步驟4.6.2：將判斷結(jié)果輸入ARM處理器中，ARM處理器發(fā)出的PWM控制信號(hào)作用于最大功率跟蹤控制器，通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使P＝P_ref；

步驟4.7：采用爬山搜索法進(jìn)行最大功率跟蹤；

步驟4.7.1：在一段長(zhǎng)度為t的時(shí)間段T(1)內(nèi)對(duì)每一點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩電流i_q和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ω_T進(jìn)行測(cè)量；

步驟4.7.2：計(jì)算T(a)時(shí)間段內(nèi)每一點(diǎn)的功率P₁(a)，P₂(a)......P_n(a)，并計(jì)算這段時(shí)間的平均功率

P‾(a)=1tΣi=1npi(a)---(9)]]>

式中：a為第一個(gè)檢測(cè)時(shí)間段；

步驟4.7.3：在下一個(gè)長(zhǎng)度同樣為t的時(shí)間段T(a+1)內(nèi)用同樣的方式計(jì)算出此時(shí)的平均功率

步驟4.7.4：給風(fēng)機(jī)施加一個(gè)擾動(dòng)比較下一時(shí)間段T(a+2)的平均功率與前一時(shí)間段T(a+1)平均功率的大小，若則繼續(xù)施加正向擾動(dòng)，若則減小時(shí)間段的長(zhǎng)度使繼續(xù)施加擾動(dòng)，直至與近似相等，完成最大功率跟蹤過(guò)程；

步驟5：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)最大功率控制后，通過(guò)控制模塊控制變流模塊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，供給本地交流、直流負(fù)載使用，并將多余的電能儲(chǔ)蓄到蓄電池組中在供電緊張的時(shí)候作緊急補(bǔ)充。