基于最佳叶尖速比的爬山法改进

周帅+于洪霞

摘 要：針对风速多变及外界干扰情况下风电系统出现的风能利用率低，直驱式风力发电系统中传统爬山法最大功率跟踪方法速度慢计算量大，并且在最大功率运行点抖动，叶尖速比法搜索出来的最大功率运行点不准确等传统方法的缺点。为了实现在跟踪效果，提出叶尖速比法与改进爬山法进行结合的办法来加快搜索速度，并且使风力发电系统在最大功率运行点稳定运行减少抖动。

关键词：风力发电；最大功率捕捉；爬山法；功率法反馈法

引言

风力发电作为一种新型的可再生能源，是世界范围内增长较快的一种能源形式。但是，风力发电的基础投资大，受自然条件制约，运行时风能利用率低等因素。这些难度制约着风力发电的发展。提高风能利用率，降低基础成本尤为重要。对风电系统可靠性和效率要求也在不断提高[1-2]。改善风力发电技术、提高风力发电机组效率即最大功率点跟踪（MPPT）研究具有十分重要的意义，其中爬山算法以其实现方法简单既不需要测量风速也不需要测量风机机械功率特性是目前应用广泛的最大风能捕捉算法[3]。但是由于传统爬山法计算量大，爬坡速度慢，在实际应用中具有很大的局限性[4-5]。同时，由于风力发电是一种间歇性能源，风电场的功率输出具有很强的随机性[1-2]。

1 风力发电最大功率捕捉原理

根据贝兹（Betz）理论，风轮机实际得到的功率与风速的三次方有关[4]。在风速v下运行时， 单位时间内捕获的风能为

，

式中？籽为空气密度（kg/m3），S为风叶轮扫过的面积（m3），R为风轮半径（m），v为风速（m/s），？棕为转速（rad/s），Cp（？姿，？茁）为风能利用系数反映了风轮机利用风能的效率，它是叶尖速比 λ和桨叶节距角 β的函数。

以上可知在一定的风速下风机输出功率取决于数Cp（？姿），在不同的风速下只要控制风机转速使得满足叶尖速比？姿=？姿，可得到不同风速下最大功率，功率曲线如图1所示：

在风力机运行时，要通过调节控制，进而实现跟踪风力发电系统的最大功率点的目的。

2 结合叶尖速比法的爬山法改进

先使用最佳叶尖速比法确定爬山法初始角速度，之后以这一点为起始点进行最后的小范围的爬山法，在使用爬山法的过程中通过不同风速初始步长根据表1数据分析选取不同的初始步长来进行实现。

根据对系统数据分析分析可以得到在风速为v（m/s），风速下运行要达到实际最大风能捕获点所对应的转速差△？棕（rad/s），如表1：

通过表格我们在4-6m/s时候，爬山法的出是扰动为0.3rad/s，之后每一步扰动都是前一步的0.5倍。6-8m/s，初始步长为0.4rad/s；8-10m/s初始扰动为0.7rad/s；10m/s到12m/s初始扰动为0.8m/s；提高收索速度，加强搜索精度。

3 实验结果

在风场中骤变风速下采集10s风速飞速在3秒时由4.3m/s变为5.6m/s，再过3s变为7.9m/s。进行试验正。

4 结束语

通过采用叶尖速比法节省了爬山法搜索的距离，所以在爬上搜索的过程中采用小扰动爬山法，同时在爬山的过程中，对每次爬山过程中加入的扰动都乘上衰减系数，在加快搜索过程的同时，来减少在最佳功率运行点出的震荡。

参考文献

[1]刘静，陶晓峰.基于下垂特性的分布式发电系统的设计[J].电子测量与仪器学报，2011，25（7）：635-641.

[2]KIM H W.KIM S S，KO HS.Modeling and control of PMSG-based variable-speed wind turbine[J].Electric Power Systems Research，2010，80（1）：46-52.

[3]李俊峰，高虎，施鹏飞，等.2007年中国风电发展报告[R].北京：中国环境科学出版社，2007.

[4]赵仁德，王永军，张加胜.直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制[J].中国电机工程学报，2009，29（27）.

[5]刘文洲，刘巡，李宁，等.直驱式风力发电机组综述[J].长春工程学院学报，2015，16（4）：45-48.