直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法

直驱永磁风力发电机最大功率跟踪技术摘要：在当前条件下传统能源存在很大缺陷，风能作为新型能源，分布广、无污染。

但自然条件下风速具有强非线性，极易受到环境影响，为获得对风能最高利用率，需要对风机系统进行实时最大功率点跟踪研究，来提高风机输出效率。

关键词：直驱永磁；风力发电；跟踪技术引言：直驱永磁同步发电机在风机与发电机转自之间没有任何耦合工具，因此在运行与维修方面可以省去大量开支。

而D-PMSG风电系统因为环境因素影响极易受风速波动的影响，因此须开展D-PMSG的MPPT的研究。

常规风能MPPT方法为两大类，第一种是最优特性曲线法，包括叶尖速比法、最优转矩（optimal torque,OT）法。

其中，OT法电磁转矩调节平稳，被兆瓦级大型风电机组采用较多。

第二种是寻优法，包括固定步长爬山算法和变步长爬山算法，但该类方法在接近MPP时波动较大，无法精确快速地追踪到MPP。

本文分析D-PMSG基本特性，并研究模糊控制理论，然后提出基于D-PMSG附加模糊控制的MPPT方法，并在Matlab/Simulink中建立仿真模型，得出仿真结果，并与常规的MPPT算法比较，从而证明本文提出方法的优势。

1 系统原理及特性（1）风力机输出特性。

根据Betz理论可知，在自然条件下，风机的输出功率Pw为式（1）。

式中，R为扇叶长度/m,V为风速/（m/s），ρ为空气密度/（kg/m³），λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数，ω为风力机的电角速度/（rad/s），λi为中间变量，β为桨距角。

（2）基于模糊控制的最大功率跟踪原理。

由以上公式可得出，当电机转速达到某一特定值时，系统输出功率和风机的风能利用系数都为最大值。

根据BOOST电路原理及特性可知，输入与输出电压关系为式（2）输出电流I d c与负载电流IL o a d的关系为式（3）。

两式整合可得式（4）。

若设电机输出线电压为VL，则Udc为式（5）。

根据上式关系，得出式（6）。

永磁直驱风力发电系统最大功率追踪策略研究孟克其劳;陈虎;钱春震;马建光;道日娜【摘要】功率最大追踪一直作为直驱式永磁同步风力发电系统的核心控制技术。

基于风力机功率输出特性曲线，分析了风力机的工作过程及在不同风速下对应的控制策略。

在额定风速以下时设计了利用转速外环和电流内环相结合的双闭环控制，并结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的风力机变速控制方案；在额定风速时设计了利用模糊-PID复合控制器控制的变桨距控制方案。

基于Matlab软件对设计的系统进行理论仿真验证，仿真结果证明所设计功率最大追踪控制策略具有良好的稳态和动态性能。

【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2012(000)022【总页数】6页(P83-87,93)【关键词】风力发电;永磁直驱同步发电机;功率最大追踪;模糊-PID控制【作者】孟克其劳;陈虎;钱春震;马建光;道日娜【作者单位】内蒙古工业大学信息学院,内蒙古呼和浩特 010080;兖州煤业股份有限公司东滩煤矿,山东济宁 273512;兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东济宁 272100;内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特 010080;内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特 010080【正文语种】中文【中图分类】TM6410 引言最近几年，我国大力推进风力发电产业的发展，作为清洁能源的一种，注重风电技术的革新，有助于人类更好地利用风能。

现代风力发电机技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、增加强度、降低成本这三方面[1-3]。

永磁直驱风力发电机(PMSM)由于省去了易磨损的齿轮箱，通过变频器对电网的有功与无功功率进行调节，逐渐受到了科研人员的重视。

风力机的变速变桨距控制策略是风能收集和转换的主要功率调节方式，是保证风机稳定运行的保障。

伴随着风机单机容量和控制需求的增加，拥有该控制技术的变速恒频变桨距型风力机逐渐占据了风力发电机的主导地位。

传统的PID控制的一些优越性能已经在各种工业实践中得到应用，但应用在非线性时变的风力机系统中，PID控制的鲁棒性得不到很好的调节。

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护的日益紧迫，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。

直驱式永磁同步风力发电机（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator, DDPMSG）作为一种新型风力发电技术，以其高效率、高可靠性以及低维护成本等优点，逐渐成为风力发电领域的研究热点。

本文旨在对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行深入研究。

文章将介绍直驱式永磁同步风力发电机的基本结构和工作原理，为后续建模和控制策略的研究奠定基础。

接着，文章将详细阐述直驱式永磁同步风力发电机组的数学建模过程，包括机械部分、电气部分以及控制系统的数学模型，为后续控制策略的设计提供理论支持。

在控制策略方面，本文将重点研究直驱式永磁同步风力发电机组的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制和电网接入控制。

最大功率点跟踪控制旨在通过调整发电机组的运行参数，使风力发电机组在不同风速下都能保持最佳运行状态，从而最大化风能利用率。

电网接入控制则关注于如何确保发电机组在并网和孤岛运行模式下的稳定运行，以及如何在电网故障时实现安全可靠的解列。

本文还将探讨直驱式永磁同步风力发电机组的控制策略优化问题，以提高发电机组的运行效率和稳定性。

通过对控制策略进行优化设计，可以进一步减少风力发电机组的能量损失，提高风电场的整体经济效益。

本文将对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。

通过本文的研究，可以为直驱式永磁同步风力发电机组的实际应用提供理论指导和技术支持，推动风力发电技术的持续发展和优化。

二、直驱式永磁同步风力发电机组的基本原理直驱式永磁同步风力发电机组（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator，简称DD-PMSG）是一种将风能直接转换为电能的装置，其基本原理基于风力驱动、机械传动、电磁感应和电力电子控制等多个方面。

直驱式永磁同步风力发电机稳态模型与最大功率跟踪控制作者：汤天浩， 陈新红， 彭东恺， 韩金刚， TANG Tian-hao， CHEN Xin-hong， PENG Dong-kai， HAN Jin-gang作者单位：上海海事大学电力传动与控制研究所,上海,200135刊名：电源学报英文刊名：JOURNAL OF POWER SUPPLY年，卷(期)：2011(3)1.陈新红基于最大功率控制(MPPT)的永磁直驱同步风力发电系统研究 20092.R Datta;V T Ranganathan A method of tracking the peak power points for a variable speed wind energy conversion system 2003(01)3.LIU Qihui;HE Yikang;ZHAO Rende The maximal wind energy tracking control of a variable speed constant frequency wind power generation system 2003(20)4.T Tafticht;K Agbossou;A Cheriti Output power maximization of a permanent magnet synchronous generator based stand-alone wind turbine 20065.K Amei A maximum power control of wind generator system using a permanent magnet synchronous generator and a boost chopper circuit 20026.K Tan;S Islam Optimum control strategies in energy conversion of PMSG wind turbine system without mechanical sensors 2004(02)7.Yang SHEN;Mohamed-Fouad BENKHORIS;Nicolas AMELON;Tianhao TANG Modeling of an electricity generation chain using renewable sources 20108.LI Wei;C Abbey;G Joos Control and performance of wind turbine generators based on permanent magnet synchronous machines feeding a diode rectifier 20069.E Spooner;A C Willanmson;G Catto Modular design of permanent-magnet generators for wind turbines 1996(05)本文链接：/Periodical_dyxb201103003.aspx。

科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界0引言为了完全实现变速风能功率发电系统,发展先进的控制方法在变化风速下俘获风力机的最大功率输出是很重要的。

目前主要有叶尖速比法,功率信号反馈法和登山搜索法来实现对风能的最大跟踪捕获。

其中,功率信号反馈法和登山搜索法需要对风机的固有特性进行测量,增加了系统的运行成本和难度。

本文采用的是最佳叶尖速比法来实现对PMSG最大功率的跟踪控制。

1PMSG的拓扑结构图1PMSG拓扑结构PMSG使用了背靠背形式的双极性PWM变流器并以此当做变流系统的核心,它的结构示意图如上所示,系统的主要内容有传动主轴与风力发电机、双极性PWM变流器、PMSG和其所在的控制系统等,变流系统最主要的部分是双极性的PWM变流器,它的主要构成部分是处于发电机一侧的变流器、电网侧的逆变器和处于直流母线侧的电容。

2最大风能捕获原理风力机所吸收的功率可以通过贝茨理论表示为P=0.5C pρSV3其中:C p—风能利用系数;β—空气密度(Kg/m2);v—风流动速度(m/s);S—桨叶旋转面积(m2)。

叶尖速比λ、桨叶节距角β这两个因素与风能的利用程度有着非常重要的关系。

在λ=ωm R/V,R—风力机桨叶的扫掠半径(m),ωm—风力机机轮的机械角速度(rad/s)。

当β的数值被确定的时候,影响C p的数值的因素只有叶尖速比。

对于某些比较特别的风力机而言,若β值已知情况下,若使风力机风能利用系数(C Pmax)最大,仅有一个最完美恰当的叶速比λopt值与之符合,更重要的是所对应的风机的风能转换程度也达到最高。

3PMSG在三相静止坐标系下的数学模型PMSG定子线圈三相绕组用A、B、C来表示,实验假设定子电压以及定子电流的方向为正,对于装式PMSG三相静止坐标系下的模型,若以A相绕组轴线所代表的方向是正方向,B相绕组滞后于A相120°,C相绕组超前A相绕组120°,转子永磁体产生的磁场最大值用Ψf表示,磁场在空间按正弦规律分布,磁场最大值与A相绕组的轴线夹角为θ。

直驱式永磁同步风力发电系统最大功率控制【摘要】直驱式永磁同步风力发电系统是一种重要的兆瓦级风电机组，运行效率高、结构简单、可以直接驱动。

直驱式永磁同步风力发电系统的最大功率控制技术直接关系着整个风力发电系统输出的电能质量和运行性能，因此应加大对直驱式永磁同步风力发电系统的研究，采用有效策略，控制直驱式永磁同步风力发电系统最大功率，提高直驱式永磁同步风力发电系统的经济效益和运行安全。

本文简要介绍了直驱式永磁同步风力发电系统，分析了直驱式永磁同步风力发电系统模型建立，阐述了直驱式永磁同步风力发电系统最大功率控制策略。

【关键词】直驱式；永磁同步；风力发电系统；最大功率；控制近年来，我国经济快速发展，常规能源消耗日益剧增，风力作为一种可再生能源，风力发电具有安全可靠、无污染的特点。

直驱式永磁同步风力发电系统内部使用永磁体励磁，不会产生励磁绕组铜损耗，和普通的电励磁式发电机相比，直驱式永磁同步风力发电系统通过风力机来直接驱动发电机，不需要再经过齿轮箱，运行效率较高，有效提高了风力发电机组的可靠性和安全性。

通过研究直驱式永磁同步风力发电系统最大功率控制，实现发电机组的最佳运行。

1 直驱式永磁同步风力发电系统研究直驱式永磁同步风力发电系统主要由逆变、整流、永磁同步发电机、风力机等部分组成，为了简化风力发电系统控制，采用BOOST斩波电路和二极管整流电路作为AC-DC变换器。

为了使直驱式永磁同步风力发电系统运行在较大的风速范围内，最大限度利用风能，需设置DC-DC变换器，将二极管整流脉动直流电通过Boost升压变换器转化为恒压直流电，可适当调整PWM脉冲，调节开关管占空比，实现风力发电系统改变负载的功能，匹配合适的负载阻抗，从而快速捕获最大风能。

图1 直驱式永磁同步风力发电系统电路图2 直驱式永磁同步风力发电系统模型建立分析为了简化直驱式永磁同步风力发电系统分析，采用等效电路法，假设风力发电系统处于稳态条件，建立直驱式永磁同步风力发电系统数学模型。

风力发电系统最大功率追踪控制控制研究本设计风力发电机的最大功率追踪控制（MPPT）系统，通过分析几种MPPT控制策略的特点，选取合适的算法，获得最大功率输出。

本文首先介绍了课题的研究背景及其意义。

其次为了方便实验室研究，开展了模拟风速，以及用直流电动机模拟风力机特性的研究工作。

本文介绍了几种最大功率的控制方法：功率信号反馈法、叶尖转速比控制法、三点比较法、爬山搜索法，重点介绍了爬山搜索法，然后又对比分析了三种爬山搜索。

通过仿真研究，得出改进的变步长爬山搜索法具有跟踪稳定、效率更高的结论。

目录风力发电系统最大功率追踪控制控制研究 (1)1引言 (2)1.1 课题的背景 (2)1.2 风力发电发展情况 (2)1.2.1国外风力发电发展情况 (2)1.2.2 国内风力发电发展情况 (3)1.3 风力发电技术发展状况 (3)1.3.1恒速恒频发电系统 (4)1.3.2变速恒频发电系统 (4)1.4 本文的研究内容及研究意义 (4)1.4.1 本文的研究内容 (4)1.4.2 本文的研究意义 (4)2 风力发电系统的分析与模拟 (5)2.1 风力发电的基本原理 (5)2.1.1 风力发电的基本原理 (5)2.1.2贝茨(Betz)理论[6] (6)2.2 对风速的模拟与仿真 (7)2.3 对风力机的模拟与仿真 (9)2.3.1 风力发电机的空气动力学特性 (9)2.3.2 对风力发电机的模拟与仿真 (10)2.4 直驱永磁同步发电机的模拟与仿真 (13)2.4.1 直驱永磁同步发电机的模拟 (13)2.4.2直驱永磁同步发电机的仿真 (15)2.5 风力发电系统主电路拓扑 (16)2.6 本章总结 (17)3 风力发电系统最大功率追踪方法及仿真研究 (17)3.1 最大风能追踪的控制方法[14] (17)3.1.1 功率信号反馈法 (17)3.1.2 叶尖速比控制法 (17)3.1.3 三点比较法 (18)3.1.4 爬山搜索法 (19)3.2 三种爬山搜索法的分析 (19)3.2.1 传统爬山搜索法 (19)3.2.2 变步长爬山搜索法 (20)3.2.3 改进的爬山搜索法[15] (20)3.3 本章总结 (21)4 风力发电系统最大功率追踪仿真研究 (21)4.1 风力发电系统的仿真 (21)4.2 三种爬山搜索法的MPPT仿真 (22)4.2.1 传统爬山搜索法的MPPT仿真 (22)4.2.2 变步长爬山搜索法的MPPT仿真 (24)4.2.3 改进的变步长爬山搜索法的MPPT仿真 (25)4.3 本章总结 (27)结论 (27)1引言1.1 课题的背景随着世界经济的发展，能源的消耗逐渐增加，同时由于煤炭、石油的大量使用，工业有害物质的排放量与日俱增，并且煤炭、石油等常规能源逐渐枯竭。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.12.11C N 103437955 A (21)申请号 201310350059.9(22)申请日 2013.08.13F03D 7/00(2006.01)(71)申请人华北电力大学（保定）地址071003 河北省保定市永华北大街619号(72)发明人刘卫亮 马良玉 刘长良 林永君马进(74)专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246代理人陈波(54)发明名称小型永磁直驱风力发电系统最大功率跟踪装置及控制方法(57)摘要本发明公开了风力发电技术领域的一种小型永磁直驱风力发电系统最大功率跟踪装置及控制方法。

其中，装置包括风机、最大功率点跟踪MPPT控制器、整流器、n 个风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器、DC-DC 变换器、驱动模块、第一电容、第二电容和负载；通过安装于不同位置的多个风速传感器获取风速向量，并采集大量风速向量-最佳转速的实际样本，利用支持向量机建立风速-最佳转速预测模型。

通过将预测模型与小步长扰动观察法结合进行最大功率跟踪。

本发明提高了跟踪速度、有效的降低扰动过程的功率损失；并且当风机的特性发生变化后，可以通过重新收集样本，训练新的预测模型以保证预测精度。

(51)Int.Cl.权利要求书3页 说明书6页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书6页 附图2页(10)申请公布号CN 103437955 A*CN103437955A*1.一种小型永磁直驱风力发电系统最大功率跟踪装置，其特征在于，所述装置包括风机、最大功率点跟踪MPPT控制器、整流器、n个风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器、DC-DC变换器、驱动模块、第一电容、第二电容和负载；其中，所述整流器的三相输入端与风机的三相输出端连接，整流器的单相输出正端与第一电容的正极连接，整流器的单相输出负端接地；第一电容负极接地；所述电压传感器的待测电压输入端与第一电容正极连接，电压传感器待测电压输出端接地；电压传感器的测量信号输出端与最大功率点跟踪MPPT控制器连接；所述电流传感器的待测电流输入端与电压传感器正极连接，电流传感器的待测电流输出端与DC-DC变换器的输入端连接；电流传感器的测量信号输出端与最大功率点跟踪MPPT 控制器连接；所述DC-DC变换器的脉宽调制信号输入端与驱动模块一端连接、驱动模块另外一端与MPPT控制器连接；DC-DC变换器的输出端与第二电容正极连接；第二电容负极接地；所述n个风速传感器的测量信号输出端分别与最大功率点跟踪MPPT控制器连接；所述转速传感器两个输入端与风机三相输出端中的其中两端连接，转速传感器的测量信号输出端与MPPT控制器连接；所述负载一端与第二电容正极连接，负载另外一端接地。