風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制研究

目錄12068摘要 I4382Abstract II262611引言 110671.1課題的背景 1248031.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況 1153631.2.1國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況 1250241.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況 2272301.3風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 2177791.3.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 2281841.3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 3154681.4本文的研究?jī)?nèi)容及研究意義 3222351.4.1本文的研究?jī)?nèi)容 373571.4.2本文的研究意義 3233502風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分析與模擬 3164772.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3318442.1.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3241392.1.2貝茨(Betz)理論 4115972.2對(duì)風(fēng)速的模擬與仿真 6322772.3對(duì)風(fēng)力機(jī)的模擬與仿真 7160042.3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性 7246562.3.2對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬與仿真 880222.4直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的模擬與仿真 12194492.4.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的模擬 12174402.4.2直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真 13286482.5風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路拓?fù)?15175442.6本章總結(jié) 15165603風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤方法及仿真研究 1662233.1最大風(fēng)能追蹤的控制方法 16160323.1.1功率信號(hào)反饋法 16204313.1.2葉尖速比控制法 16114683.1.3三點(diǎn)比較法 16198203.1.4爬山搜索法 17187453.2三種爬山搜索法的分析 17285383.2.1傳統(tǒng)爬山搜索法 17224443.2.2變步長(zhǎng)爬山搜索法 18221213.2.3改進(jìn)的爬山搜索法 1970813.3本章總結(jié) 1944034風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤仿真研究 209284.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真 2026614.2三種爬山搜索法的MPPT仿真 2157314.2.1傳統(tǒng)爬山搜索法的MPPT仿真 2187574.2.2變步長(zhǎng)爬山搜索法的MPPT仿真 22320794.2.3改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法的MPPT仿真 2316654.3本章總結(jié) 256360結(jié)論 258121參考文獻(xiàn) 2714934致謝 29Abstract…………………12068II262611Introduction 110671.1background 1248031.2developmentofwindpower 1153631.2.1developmentofforeignwindpower 1250241.2.2developmentofdomesticwindpower 2272301.3developmentofwindpowertechnology 2177791.3.1constantspeedconstantfrequencypowersystem 2281841.3.2VSCFwindpowergenerationsystem 3154681.4thecontentandsignificanceofthisstudy 3222351.4.1researchcontent 373571.4.2researchsignificance 3233502AnalysisandSimulationofwindpowergenerationsystem 3164772.1basicprincipleofwindpower 3318442.1.1Basicprincipleof2.1.1windpower 3241392.1.2Bates(Betz)theory 4115972.2simulationandSimulationofwindspeed 6322772.3simulationandSimulationofwindturbine 7160042.3.1Aerodynamiccharacteristicsofwindturbine 7246562.3.2SimulationandSimulationofforwindturbine 880222.4simulationandSimulationofpermanentmagnetsynchronousgenerator 12194492.4.1Simulationofdirectdrivepermanentmagnetsynchronousgenerator 12174402.4.2Simulationofdirectdrivepermanentmagnetsynchronousgenerator 13286482.5maincircuittopologyofwindpowergenerationsystem 15175442.6thischaptersummarizes 15165603maximumpowertrackingmethodandSimulationofwindpowergenerationsystem 1662233.1maximumwindenergytrackingcontrolmethod 16160323.1.1powersignalfeedback 16204313.1.2tipspeedratiocontrolmethod 16114683.1.3threepointcomparisonmethod 16198203.1.4mountainclimbingsearch 17187453.2Threeanalysisofclimbingsearchmethods 17285383.2.1traditionalclimbingsearchmethod 17224443.2.2variablestepclimbingsearchmethod 18221213.2.3improvedclimbingsearchmethod 1970813.3thischaptersummarizes 1944034maximumpowertrackingsimulationofwindpowergenerationsystem 209284.1simulationofwindpowergenerationsystem 2026614.2ThreeMPPTsimulationofkindsofmountainclimbingsearchmethod 2157314.2.1MPPTsimulationoftraditionalmountainclimbingsearchmethod 2187574.2.2MPPTsimulationofvariablestepsizeclimbingsearchmethod 22320794.2.3MPPTsimulationofimprovedvariablestepsizeclimbingsearchmethod 2316654.3thischaptersummarizes 256360Conclusions 258121References 2714934Acknowledges 29風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制研究摘要：本課題設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率追蹤控制（MPPT）系統(tǒng)，通過分析幾種MPPT控制策略的特點(diǎn)，選取合適的算法，獲得最大功率輸出。本文首先介紹了課題的研究背景及其意義。其次為了方便實(shí)驗(yàn)室研究，開展了模擬風(fēng)速，以及用直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的研究工作。本文介紹了幾種最大功率的控制方法：功率信號(hào)反饋法、葉尖轉(zhuǎn)速比控制法、三點(diǎn)比較法、爬山搜索法，重點(diǎn)介紹了爬山搜索法，然后又對(duì)比分析了三種爬山搜索。通過仿真研究，得出改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法具有跟蹤穩(wěn)定、效率更高的結(jié)論。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大功率追蹤控制；模擬風(fēng)速；直流電動(dòng)機(jī)；模擬風(fēng)力機(jī)Researchonmaximumpowertrackingcontrolofwindpowersystem(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018)AbstractThisarticlefirstintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofthesubject.Second,inordertofacilitatelaboratoryresearch,carriedoutsimulatedwindspeed,windturbinecharacteristicsandresearchworkwithaDCmotorsimulation..Thisarticledescribesseveralmethodstocontrolthemaximumpower:powersignalfeedbackmethod,thetipspeedratiocontrolmethod,threecomparativelaw,climbingsearchmethod,thisarticlefocusesontheclimbingsearchmethod,andthenanalysesandcomparesthreeclimbingsearchmethods.Throughsimulationstudies,thisarticleconcludesthattheimprovedvariablestepclimbingsearchmethodhastrackingstabilityandhigherefficiency.Keywords：WindPower；MPPT；Simulationofwindspeed；DCmotor；Simulationofwindturbine1引言1.1課題的背景隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗逐漸增加，同時(shí)由于煤炭、石油的大量使用，工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，并且煤炭、石油等常規(guī)能源逐漸枯竭。因此，保護(hù)環(huán)境和緩解能源危機(jī)刻不容緩。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，解決環(huán)境問題，緩解能源危機(jī)，造福子孫后代，世界各國開始尋求和探索可再生能源的開發(fā)和利用[1]。風(fēng)能在可再生能源中是有潛力、廉價(jià)的能源。風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入大發(fā)展階段是從90年代開始的。利用風(fēng)能這樣的可再生能源也是走可持續(xù)發(fā)展道路，建設(shè)和諧社會(huì)、和諧世界的重要一環(huán)。1.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況1.2.1國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況19世紀(jì)末，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組首先由丹麥人研制成功，緊接著，世界各國開始探索研究，直至今天，世界上越來越多的國家致力于風(fēng)力發(fā)展。歐洲的裝機(jī)容量是全球各地裝機(jī)容量最大的地區(qū)，預(yù)計(jì)在15年之后一半的歐洲人口將會(huì)使用風(fēng)力發(fā)電。在歐洲以外，大力發(fā)展風(fēng)電的國家主要有美國、中國、印度、加拿大和日本等。到目前為止，已有82個(gè)國家正在積極發(fā)展風(fēng)力發(fā)電[2]。目前，全球風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量在逐年增長(zhǎng)，根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)統(tǒng)計(jì)，2013年，全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)的容量為318105MW，如表1-1所示。

表1-12004年至2013年全球風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量年份（年）累計(jì)裝機(jī)容量（MW）200447，620200559，091200673，938200793，8892008120，6242009158，9752010198，0012011238，1262012283，1942013318，105根據(jù)風(fēng)力發(fā)展國的規(guī)劃，對(duì)于未來，風(fēng)電仍有很大發(fā)展空間。以歐洲為例，到2020年計(jì)劃實(shí)現(xiàn)可再生能源占到總發(fā)電量的20％，其中風(fēng)電占到12％。目前，主要國家的風(fēng)電覆蓋率均處于比較低的水平，而且全球平均風(fēng)電僅占總發(fā)電量的1．19％。從總體來看，美中印以及歐的風(fēng)電市場(chǎng)增長(zhǎng)非常迅速。1.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況面對(duì)環(huán)境污染和資源短缺的壓力，我國迫切需要走出一條有中國特色的新型能源發(fā)展道路[3]，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)起步較晚，但在國家的支持下，風(fēng)力發(fā)電取得了快速發(fā)展。在1983年，山東榮成引進(jìn)了風(fēng)電機(jī)組，我國開始了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。利用風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電在我國已經(jīng)開展了30多年，但風(fēng)電仍未走出“試驗(yàn)”的階段。截至目前，我國風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為56.7萬千瓦，僅占全國裝機(jī)的0.14%。我國風(fēng)能資源豐富，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古，也分布在東部至東南沿海地帶及島嶼。在陸上，能開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量，在2.53億千瓦左右；在海上，能開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量，在7.5億千瓦左右。1.3風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)電技術(shù)也逐漸成為一些科研人員研究的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電的整個(gè)系統(tǒng)的核心是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，因此風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)，就是研制一種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要有利于風(fēng)電的轉(zhuǎn)換。風(fēng)力發(fā)電過程中,當(dāng)風(fēng)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),電網(wǎng)和風(fēng)電的頻率要一致,也就是說風(fēng)電頻率要保持恒定。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括：恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。1.3.1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于單機(jī)容量，恒速運(yùn)行方式多用于600~750千瓦的風(fēng)電機(jī)組，由于籠型異步發(fā)電機(jī)能直接從電網(wǎng)中獲得勵(lì)磁功率[4]，因而多采用籠型異步發(fā)電機(jī)。

通常，恒速風(fēng)電機(jī)組包括：變槳距風(fēng)力機(jī)、定槳距失速型風(fēng)力機(jī)。前者控制風(fēng)力機(jī)輸出功率的方法是利用風(fēng)輪葉片的變槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)；而后者控制風(fēng)力機(jī)輸出功率的方法由風(fēng)輪葉片完成-通過風(fēng)輪葉片翼型的氣動(dòng)失速特性來限制葉片吸收過大的風(fēng)能，可是這種風(fēng)力機(jī)成型工藝難度較大?；\型異步發(fā)電機(jī)屬于恒速恒頻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是因?yàn)榫哂幸韵绿匦裕涸诓⒕W(wǎng)后，電網(wǎng)頻率決定發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度；異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大。1.3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻發(fā)電方式下，風(fēng)力機(jī)工作在變速運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，保持在一定的最佳葉尖速比上，并且在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)處于最大值，因而，與恒速運(yùn)行方式相比，有較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于不同風(fēng)速區(qū)，這種變速機(jī)組都能適應(yīng)，因而風(fēng)力發(fā)電的地域范圍得以拓寬，并且能吸收大量風(fēng)能并儲(chǔ)存起來，這樣對(duì)于主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，就不會(huì)承受很大的扭矩及應(yīng)力。通過電力電子裝置的調(diào)頻，調(diào)壓等將風(fēng)能產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)，同時(shí)，風(fēng)力機(jī)組也會(huì)在安全與平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行。一般來說，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有四種變速恒頻控制方案：（1）鼠籠式異步發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)；（2）無刷雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)；（3）交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)；（4）永磁發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)[5]。1.4本文的研究?jī)?nèi)容及研究意義1.4.1本文的研究?jī)?nèi)容本文研究的是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制研究，具體內(nèi)容如下：（1）熟悉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和MPPT的含義；（2）分析比較目前的MPPT算法的理論知識(shí)；（3）采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，確定各種MPPT算法的優(yōu)缺點(diǎn)；（4）采用合適的MPPT算法，在新能源并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法的有效性。1.4.2本文的研究意義由于環(huán)境問題與資源問題的加劇，風(fēng)電技術(shù)得以迅速發(fā)展，并且世界各國在政策上對(duì)可再生能源發(fā)電也越來越重視，風(fēng)力發(fā)電將快速發(fā)展。從能量轉(zhuǎn)換角度看，風(fēng)力發(fā)電由兩部分構(gòu)成：（1）將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；（2）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的方法并確定相應(yīng)的控制策略，使風(fēng)力發(fā)電的效率提高，風(fēng)能的利用率就得以加強(qiáng)，進(jìn)而減少了人類對(duì)煤炭、石油等資源的依賴，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境與緩解能源危機(jī)雙重目的，也能更好地造福子孫后代，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，因而具有很大的研究?jī)r(jià)值與研究意義。2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分析與模擬2.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理2.1.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理對(duì)于現(xiàn)在的風(fēng)車技術(shù)，每秒三米左右的風(fēng)速，就能發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電原理圖如下圖2-1所示。將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是風(fēng)輪的職能，由于對(duì)于風(fēng)輪，它的轉(zhuǎn)速較低，風(fēng)力的大小、方向也時(shí)常變化著，這樣就會(huì)形成不穩(wěn)地轉(zhuǎn)速，因此，須附加一個(gè)齒輪變速箱，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，把轉(zhuǎn)速提高，到達(dá)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，再在發(fā)電機(jī)上加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)，為使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，進(jìn)而獲得最大功率。變頻器變頻器基礎(chǔ)控制系統(tǒng)保護(hù)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)塔架電網(wǎng)變壓器圖2-1風(fēng)力發(fā)電原理圖2.1.2貝茨(Betz)理論[6]貝茨理論得以建立依據(jù)的假設(shè)條件是：風(fēng)輪是理想的。圖2-2貝茨(Betz)理論示意v1為葉片前的風(fēng)速；v為經(jīng)過葉片時(shí)風(fēng)速；v2為經(jīng)過葉片后的風(fēng)速；s1為葉片前的風(fēng)速的面積；s為風(fēng)經(jīng)過葉片時(shí)的面積；s2為風(fēng)經(jīng)過葉片后的面積。如上圖2-2所示，顯然，v2<v1，s2>s1。假定空氣不可壓縮，可以得到(2-1)由流體力學(xué)可得氣流的動(dòng)能為(2-2)假設(shè)，在單位時(shí)間內(nèi)，氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。對(duì)于該體積的空氣的質(zhì)量，有（為空氣密度），此時(shí)氣體具有的動(dòng)能為(2-3)其中，T、、V、v的單位分別是W、kg/m3、m3、m/s。其中，隨一些因素，比如地理位置、海拔、地形的不同，和也是變化的。利用歐拉定理可求得：(2-4)式中—空氣當(dāng)時(shí)的密度風(fēng)輪所接受的功率為(2-5)這樣，風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪葉片的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為(2-6)式中—空氣質(zhì)量由于(2-7)所以(2-8)這樣，把(2-8)代入(2-4)、(2-5)，則風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F與接受的功率P分別為(2-9)(2-10)風(fēng)速v1是給定的，的大小取決于v2，并且是v2的函數(shù)，對(duì)微分可求得最大值(2-11)令其等于0，求解方程得(2-12)(2-13)16/27=0．593，就稱作貝茨功率系數(shù)(2-14)而是風(fēng)速為v1的風(fēng)能，所以(2-15)2.2對(duì)風(fēng)速的模擬與仿真整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀況，都由它的變化實(shí)時(shí)影響著，所以在實(shí)驗(yàn)室里，為完成風(fēng)電系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速情況進(jìn)行準(zhǔn)確有效的模擬。一般來說，自然風(fēng)速有4種典型成分：基本風(fēng)VWB、陣風(fēng)VWG、漸變風(fēng)VWR和隨機(jī)風(fēng)VWN[7]。對(duì)于風(fēng)力機(jī)，在正常運(yùn)行過程中，一直存在著基本風(fēng)。在風(fēng)速變化過程中，對(duì)于陣風(fēng)，描述了風(fēng)速變化的特性；對(duì)于漸變風(fēng)，反映了風(fēng)速的漸變特性；對(duì)于隨機(jī)風(fēng)，描述了風(fēng)速變化的隨機(jī)特性。（1）基本風(fēng)基本風(fēng)的大小可以由Weibull參數(shù)確定。(2-16)對(duì)于上式，C為Weibull分布的尺度參數(shù)，k為Weibull分布的形狀參數(shù)；通常的，基本風(fēng)設(shè)定為常數(shù)，在仿真中，令基本風(fēng)速為5m/s。（2）陣風(fēng)陣風(fēng)風(fēng)速具有余弦特性，陣風(fēng)體現(xiàn)在仿真中的2.5s到4.5s，實(shí)驗(yàn)中，令陣風(fēng)峰值Gmax為5m/s。(2-17)上式中，Gmax、t、Tg、T1g分別為陣風(fēng)峰值、時(shí)間、陣風(fēng)周期、陣風(fēng)開始時(shí)間。（3）漸變風(fēng)在仿真中，令Rmax為3m/s當(dāng)或時(shí),;當(dāng)時(shí)，;當(dāng)時(shí)，。式中，T1r為漸變風(fēng)開始時(shí)間，T2r為漸變風(fēng)結(jié)束時(shí)間，Tr為漸變風(fēng)保持時(shí)間。（4）隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速無時(shí)無刻不在變化，在用Matlab模擬中，用帶限白噪聲來模擬隨機(jī)風(fēng)。綜合這4種風(fēng)速，本文用4種疊加的風(fēng)速模型來模擬實(shí)際作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速(2-18)通過以上對(duì)風(fēng)速模型的分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下，對(duì)其仿真。仿真的結(jié)果如圖2-4所示圖2-3風(fēng)速仿真原理圖圖2-4風(fēng)速仿真波形2.3對(duì)風(fēng)力機(jī)的模擬與仿真2.3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性由貝茲理論可知,風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率，在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)為(2-19)（2-19）式中，為空氣密度，s為風(fēng)力機(jī)的槳葉掃掠面積，v為風(fēng)速，為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)。(2-20)(2-20)式中，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度，R為葉片的半徑。圖2-5為與之間的關(guān)系曲線。圖中凸點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能捕獲點(diǎn)，此處為最佳葉尖速比，此時(shí)達(dá)到最大值而，提高風(fēng)力發(fā)電效率的關(guān)鍵因素之一就是獲取最大風(fēng)能追蹤的控制方法。圖2-5風(fēng)力機(jī)CP與的關(guān)系曲線由式(2-19)可得風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：(2-21)由公式(2-19)、(2-20)和(2-21)可以得出風(fēng)力機(jī)模型的特性曲線，如下圖所示。圖2-6轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線圖2-7轉(zhuǎn)速-功率曲線2.3.2對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬與仿真目前，對(duì)于風(fēng)力機(jī)特性模擬器，利用的主要是直流電動(dòng)機(jī)，及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[8]。文獻(xiàn)[11-16]提出的是直流電動(dòng)機(jī)風(fēng)力機(jī)特性模擬器通過控制直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與給定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等的辦法，來模擬穩(wěn)態(tài)的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩。但是，自然界的風(fēng)是隨機(jī)變化的，顯然，上述的模擬方法不能真實(shí)地反映出風(fēng)速從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的變化過程中風(fēng)力機(jī)的輸出特性。文獻(xiàn)[9]提出的是一種基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性動(dòng)態(tài)的模擬方法，然而，文獻(xiàn)中并未考慮增速齒輪箱的影響，也沒能提供隨機(jī)風(fēng)速作用下的輸出轉(zhuǎn)矩特性，圖2-8為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖。圖2-8為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖圖中uf為勵(lì)磁繞組電壓，if為勵(lì)磁繞組的電流，Lf為勵(lì)磁繞組的電感，Rf為勵(lì)磁繞組電阻；對(duì)于電樞繞組，ua為電壓，ia為電流，La為電感，Ra為電阻，ea為反電動(dòng)勢(shì)。由上圖可得出：穩(wěn)態(tài)下，直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程：(2-22)(2-23)(2-24)在上述3個(gè)公式中，n為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，φ為勵(lì)磁磁通，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由上面3個(gè)公式可得轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：(2-25)根據(jù)上述公式畫出的直流電動(dòng)機(jī)的特性曲線，如圖2-9與圖2-10所示圖2-9轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線圖2-10轉(zhuǎn)速-功率曲線通過圖2-6與圖2-9的比較，可以看出，兩者的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性相差較大。通過圖2-7與圖2-10的比較，可以看出，兩者的轉(zhuǎn)速-功率曲線大致相同。因此要想模擬風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，就需要在一定的轉(zhuǎn)速下，得出與風(fēng)力機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩。為此，本文利用的是Buck電路[10]。根據(jù)以上條件，建立模型，如圖2-11所示的模型。圖2-11風(fēng)力機(jī)仿真模型在仿真中，各參數(shù)的設(shè)定如下：葉片的半徑為3.5m，槳距角為0度，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，風(fēng)力機(jī)額定功率5kW，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，額定功率為5千瓦，額定轉(zhuǎn)速為1025r/min，齒輪箱變比為5，電樞回路電感為40.5mH，電樞回路電阻R為3.46Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.156kg·m2，勵(lì)磁功率570W，供電電壓選用300V直流電壓源作為，開關(guān)的頻率為50kHz。在仿真和實(shí)驗(yàn)過程中需要研究的是以下兩方面：（1）在一定的條件下，風(fēng)速變化時(shí)的情況；（2）在一定時(shí)條件下，轉(zhuǎn)速變化時(shí)的情況。通過以上兩方面，觀察模擬風(fēng)力機(jī)的特性。實(shí)驗(yàn)中，首先模擬轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)速變化時(shí)的情況，本文假定轉(zhuǎn)速為8m/s，并且，在時(shí)間進(jìn)行到2s時(shí)，風(fēng)速由6m/s上升到8m/s，通過仿真，得圖2-12和2-13。圖2-12風(fēng)力機(jī)仿真圖圖2-13電動(dòng)機(jī)仿真圖通過觀察上面兩個(gè)圖形可以得出如下結(jié)論：在轉(zhuǎn)速一定的條件下，風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行情況可以較好的由直流電動(dòng)機(jī)模擬出。其次，轉(zhuǎn)速變化時(shí)的情況，轉(zhuǎn)速的變化見圖2-14，實(shí)驗(yàn)中，假定風(fēng)速大小為6m/s，通過仿真，得圖2-15和2-16。圖2-14轉(zhuǎn)速的變化圖圖2-15風(fēng)力機(jī)的時(shí)間-轉(zhuǎn)矩的仿真圖圖2-16電動(dòng)機(jī)模擬仿真圖通過觀察上面兩個(gè)圖形可以得出如下結(jié)論：當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，而在其它情況下，二者基本吻合，也就是說風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行情況可以較好的由直流電動(dòng)機(jī)模擬出。2.4直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的模擬與仿真永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)有很多，因而其同步轉(zhuǎn)速較低，。直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸直接連接在風(fēng)輪機(jī)上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，且其交流電的頻率也變化，經(jīng)過電力電子裝置變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相對(duì)于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)是：由于傳動(dòng)系統(tǒng)部件的減少，使機(jī)組的可靠性得以提高，并降低了噪聲；永磁發(fā)電技術(shù)及變速恒頻技術(shù)的采用，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率得以提高；然后用過一定的裝置進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。2.4.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的模擬假設(shè):相繞組對(duì)稱；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)、定子電流分布均對(duì)稱；（3）不考慮齒槽、換相過程，以及電樞反應(yīng)等影響；永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與運(yùn)動(dòng)方程[11]為：(2-26)(2-27)通常認(rèn)為L(zhǎng)d=Lq，然后得出：(2-28)再在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建[19-20]，為(2-29)(2-30)在式2-26和2-30中，ud、uq為定子側(cè)電壓的d、q軸分量；Ld、Lq為定制繞組的d、q軸電感；id、iq為定子側(cè)電流的d、q軸分量；R為定子電阻，P為極對(duì)數(shù)。永磁同步發(fā)電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向量圖，見圖2-17所示。圖2-17永磁同步發(fā)電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向量圖依據(jù)式（2-26)-(2-30），利用Matlab模擬，如圖2-18所示圖2-18永磁同步發(fā)電機(jī)仿真模型2.4.2直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真根據(jù)圖2-18，本文利用Matlab，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的工作情況的仿真。參數(shù)的設(shè)定為：d軸電感與q軸電感均為3mH，發(fā)電機(jī)的額定功率為5kW，內(nèi)阻為0.5Ω，極對(duì)數(shù)為14，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1，磁鏈大小為0.5Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)Bm為0。在仿真過程中，對(duì)于三相不控整流橋和電容濾波，都要接于發(fā)電機(jī)。機(jī)械轉(zhuǎn)矩設(shè)為50N·m，負(fù)載電阻設(shè)為50Ω，仿真圖如圖2-19所示。圖2-19轉(zhuǎn)速波形圖圖2-20A相電壓波形圖2-21A相電流波形2.5風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路拓?fù)鋵?duì)于變流器，本文常采用不可控整流+Boost+逆變的方案[12]：如圖2-22，首先，低速永磁發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)出交流電（它的頻率、幅值是均變化的）；通過電力電子裝置變換為三相恒幅交流電；最后，接至電網(wǎng)。所以，實(shí)現(xiàn)目的方法是：通過中間電力電子的變化環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的有功和無功功率。圖2-22不可控整流+Boost+逆變圖2-22所示的不可控整流+Boost+逆變電路是三級(jí)變換，從構(gòu)成的整流器來看，其優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，控制簡(jiǎn)單，可靠性高；而且，對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其無速度傳感器的控制也更方便，成本也較低[13]。所以，本文采用不可控整流+Boost+逆變的方案。2.6本章總結(jié)本章首先探究了風(fēng)力發(fā)電的原理，然后利用Matlab對(duì)風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了模擬和仿真，并驗(yàn)證了這種模擬的可行性。本章最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電主電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析與選擇。3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤方法及仿真研究3.1最大風(fēng)能追蹤的控制方法[14]（1）功率信號(hào)反饋；（2）葉尖轉(zhuǎn)速比控制；（3）三點(diǎn)比較法；（4）爬山搜索法等。3.1.1功率信號(hào)反饋法功率信號(hào)反饋法捕獲最大風(fēng)能的原理如下：通過前面的分析可知，在任何風(fēng)速下，我們只要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使其葉尖速比滿足λ=λopt，這樣，風(fēng)力機(jī)就在Cpmax下運(yùn)行，進(jìn)而獲得最大功率。3.1.2葉尖速比控制法根據(jù)本文2.3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性可知，假定一種風(fēng)速，取不同的轉(zhuǎn)速計(jì)算出相應(yīng)的葉尖速比λ，得出在該風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率-轉(zhuǎn)速曲線圖。再假定不同的風(fēng)速，重復(fù)上面的步驟，就可以得出圖3-1所示的曲線，其中v1<v2<v3。圖3-1風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率-轉(zhuǎn)速曲線關(guān)系圖由圖3-1可知，在不同風(fēng)速下，將這些峰值點(diǎn)連起來，就構(gòu)成了功率的最佳曲線Pmax。通過分析可知，要使風(fēng)力機(jī)捕獲最大風(fēng)能，輸出最大機(jī)械功率，就必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保持最佳的葉尖速比。3.1.3三點(diǎn)比較法該方法的原理為：在一定風(fēng)速下，在風(fēng)力機(jī)輸出功率-機(jī)械角速度關(guān)系曲線上，選取三個(gè)不同的機(jī)械角速度，并依次找出這三個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械功率，然后進(jìn)行比較,進(jìn)而追蹤最大風(fēng)能。在三個(gè)機(jī)械角速度的工作過程中，可能出現(xiàn)如圖3-2(a)～圖3-2(c)所示的情形(其中ω1<ω2<ω3)。（a）P1>P2>P3（b）P1<P2且P2>P3（c）P1<P2<P3圖3-2三點(diǎn)比較法的原理圖根據(jù)圖示，當(dāng)出現(xiàn)圖3-2(a)的情形時(shí)，則應(yīng)該在ω2～ω3之間進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)出現(xiàn)圖3-2(b)的情形時(shí)，應(yīng)該減少機(jī)械角速度ω1；當(dāng)出現(xiàn)圖3-2(c)的情形時(shí)使w3繼續(xù)增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率的追蹤。三點(diǎn)法的原理及工作過程在文獻(xiàn)[15]中有著詳細(xì)的說明，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單易行，選取不同的三個(gè)機(jī)械角速度，找到對(duì)應(yīng)的輸出功率，就可準(zhǔn)確快速地追蹤到Pmax。3.1.4爬山搜索法爬山搜索法是目前研究比較多的一種控制方法，該方法的工作原理是，不停擾動(dòng)轉(zhuǎn)速，根據(jù)功率變化情況，改變下一次轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)方向。通常，爬山搜索法主要包括：傳統(tǒng)爬山搜索法、變步長(zhǎng)爬山搜索法和改進(jìn)的爬山搜索法。本文主要對(duì)爬山搜索法進(jìn)行分析與研究。3.2三種爬山搜索法的分析3.2.1傳統(tǒng)爬山搜索法對(duì)于傳統(tǒng)爬山搜索法，其工作過程如下：首先，計(jì)算出當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率Pt(n)，然后與功率Pt(n-1)（上個(gè)控制周期的）作比較，如果Pt(n)<Pt(n-1)，使轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)dω反號(hào)；否則，不改變其符號(hào)[16]。然后，將上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令和當(dāng)前轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值相加，得到新的轉(zhuǎn)速指令值。對(duì)于dω，其符號(hào)的改變，在控制電路中，是通過對(duì)占空比D的值進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。流程圖如3-3所示：圖3-3流程圖對(duì)于傳統(tǒng)的爬山搜索法，步長(zhǎng)是固定的，如果步長(zhǎng)設(shè)置的太大，追蹤最大功率的速度就會(huì)變快，但在最大功率點(diǎn)附近，輸出功率會(huì)來回變化，不穩(wěn)定；如果設(shè)置的步長(zhǎng)過小，雖然穩(wěn)定性變好了，但跟蹤速度又變慢了。3.2.2變步長(zhǎng)爬山搜索法圖3-4中出了以占空比為自變量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率特性曲線。在A區(qū)，有dP/dD>0（D為占空比），當(dāng)dP>0且dD>0時(shí),工作點(diǎn)正往最大功率處靠近，此時(shí)，需繼續(xù)增加D，以使系統(tǒng)工作在最大功率處；當(dāng)dP<0且dD<0時(shí)，說明工作點(diǎn)正背離最大功率處，為使系統(tǒng)工作在最大功率處需要增加D。在B區(qū)，有dP/dD<0，當(dāng)dP>0且dD<0時(shí)，工作點(diǎn)正往最大功率處靠近，需減小D，以使系統(tǒng)工作在最大功率處；當(dāng)dP<0且dD>0時(shí)，說明工作點(diǎn)正背離最大功率處，為使系統(tǒng)工作在最大功率處需要減少D。此方法的優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)滿足最大功率追蹤過程中穩(wěn)定性和快速性的要求；但考慮到一些參數(shù)的不確定性，以及風(fēng)能的隨機(jī)性，不能得到很理想的風(fēng)能利用系數(shù)而且容易造成功率造成損失。圖3-4輸出功率-占空比關(guān)系曲線3.2.3改進(jìn)的爬山搜索法[15]為了實(shí)現(xiàn)最大功率的快速追蹤，在初始狀態(tài)下，令ΔP=p1-p2，如果ΔP大于0，應(yīng)繼續(xù)按原占空比擾動(dòng)，因?yàn)檫@表明輸出功率正在上坡；如果ΔP小于0，表明輸出功率正位于最高點(diǎn)附近，并開始走下坡，此時(shí)應(yīng)改變步長(zhǎng)，否則，系統(tǒng)的輸出功率就會(huì)在P2和P3之間震蕩，不能得到最大輸出功率，見圖3-5。圖3-5改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法原理圖對(duì)于改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法，優(yōu)點(diǎn)是：仿真效果在固定的風(fēng)速下比較理想，有良好的快速性，以及穩(wěn)定性；缺點(diǎn)是：擾動(dòng)步長(zhǎng)在風(fēng)速變化較慢時(shí)，會(huì)一直保持在最小值處，不能實(shí)現(xiàn)最大功率的快速追蹤。3.3本章總結(jié)本章首先介紹了幾種最大風(fēng)能追蹤的方法，著重介紹了爬山搜索法，并對(duì)其中的三種爬山搜索法進(jìn)行了分析與對(duì)比。4風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤仿真研究4.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真本文對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，其主電路采用的形式是：風(fēng)力機(jī)+發(fā)電機(jī)+三重并聯(lián)Boost電路+負(fù)載[17]。仿真模型見圖4-1，風(fēng)力機(jī)的仿真參數(shù)與前面所述的相同，發(fā)電機(jī)的額定功率為5千瓦，內(nèi)阻為0.5Ω，q軸和d軸的電感均為3mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1，磁鏈的大小為0.5Wb，極對(duì)數(shù)為14，直流側(cè)的濾波電容為2mF，電感為2.3mH，負(fù)載為80Ω，負(fù)載側(cè)濾波電容為470uF，開關(guān)頻率為10kHz。圖4-1直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型根據(jù)以上模擬，首先在不考慮MPPT控制的情況下，驗(yàn)證占空比的變化對(duì)系統(tǒng)功率的影響。模擬中，令風(fēng)速為4m/s，在占空比為0.4和0.5時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率如圖4-2所示。圖4-2風(fēng)力機(jī)輸出功率由圖4-2可知：風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨占空比而改變。對(duì)于輸出功率，在占空比為0.4時(shí)，為465W左右，在占空比為0.5時(shí)，大概為425W。所以通過上圖可以得出：改變占空比，能使輸出功率發(fā)生變化。這樣，就可以通過調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率追蹤。4.2三種爬山搜索法的MPPT仿真各種爬山搜索法都有優(yōu)缺點(diǎn)，為了進(jìn)一步比較分析，用Matlab搭建了最大功率跟蹤模塊，然后將其代入到系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速由4m/s突變?yōu)?m/s時(shí)，對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的吸收情況進(jìn)行觀察。4.2.1傳統(tǒng)爬山搜索法的MPPT仿真首先對(duì)傳統(tǒng)爬山搜索法（也就是固定步長(zhǎng)算法）進(jìn)行仿真[18]，模塊如圖4-3所示。圖4-3傳統(tǒng)爬山搜索法模塊在圖4-1所示系統(tǒng)中，引入一個(gè)將最原始的一個(gè)MPPT模塊，對(duì)輸出功率的情況進(jìn)行觀察。采樣時(shí)間設(shè)置為0.1s（下文的仿真也按此時(shí)間），初始占空比為0.3，步長(zhǎng)為0.04。結(jié)果如圖4-4所示。圖4-4固定步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法的風(fēng)力機(jī)輸出功率從圖中可以看出：當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定在4m/s時(shí)，根據(jù)計(jì)算可得，輸出功率穩(wěn)定在最大功率處；當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?m/s時(shí)，輸出功率會(huì)快速上升，直至最大功率處。從圖中也可以看出：固定步長(zhǎng)爬山搜索法的缺點(diǎn)是，在風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)，對(duì)于輸出功率，由于占空比不斷變化，會(huì)有較大波動(dòng)。圖4-5為固定步長(zhǎng)擾動(dòng)法占空比變化波形。圖4-5固定步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法占空比的波形從上圖中可知：對(duì)于占空比，當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，在0.3-0.43間波動(dòng)；而當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?m/s時(shí)，能迅速跟蹤風(fēng)速變化，在0.5-0.6間波動(dòng)。所以，跟蹤速度很快，但占空比波動(dòng)比較大。4.2.2變步長(zhǎng)爬山搜索法的MPPT仿真首先，對(duì)變步長(zhǎng)爬山搜索法進(jìn)行建模，如圖4-6所示。圖4-6變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法的模塊然后將圖4-6模塊整合到圖4-1所示系統(tǒng)中便可得到圖4-7的仿真結(jié)果。圖4-7變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法的風(fēng)力機(jī)輸出功率從上圖可知：與固定步長(zhǎng)的方法相比，不論穩(wěn)定性，還是在快速性上，變步長(zhǎng)爬山搜索法都有較大提高，但功率波動(dòng)這一問題依然沒有得到解決。變步長(zhǎng)擾動(dòng)法占空比變化波形如圖4-8所示。圖4-8變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法占空比的波形從上圖可以看出：風(fēng)速為7m/s時(shí)，與固定步長(zhǎng)相比，此方法占空比的變化范圍為0.52-0.55，因而可以得出，此方法追蹤最大功率的效果要更好些。4.2.3改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法的MPPT仿真首先，對(duì)改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法建模，如圖4-9所示圖4-9改進(jìn)的變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法的模塊在圖4-1所示系統(tǒng)中，引入此模塊。合理設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行仿真，可得風(fēng)力機(jī)輸出功率。如圖4-10所示。圖4-10改進(jìn)的變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法風(fēng)力機(jī)輸出功率從上圖可看出：功率波形相當(dāng)平穩(wěn)，有著更快的跟蹤速度，功率波動(dòng)小，所以，效果還是比較令人滿意的。對(duì)于變步長(zhǎng)占空比擾動(dòng)法，圖4-11為其占空比波形。圖4-11占空比波形由上圖可知：對(duì)于占空比，在風(fēng)速為4m/s時(shí)，保持在0.36處；在風(fēng)速為7m/s時(shí)，保持在0.58處，波動(dòng)很小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。上述三種方法都是擾動(dòng)法中比較簡(jiǎn)單方法，它們跟蹤最大功率思想是一致的[19]：首先，對(duì)功率與占空比的變化方向進(jìn)行判斷；然后，對(duì)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的位置進(jìn)行確定；最后，得出當(dāng)前占空比擾動(dòng)方向。對(duì)比以上三種擾動(dòng)法的跟蹤效果，不難得出：改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山搜索法性能更加優(yōu)越。4.3本章總結(jié)本章首先對(duì)整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了建模，然后，對(duì)于三種爬山搜索法，利用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真研究，通過仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于固定步長(zhǎng)與變步長(zhǎng)爬山算法，改進(jìn)的爬山搜索法更能滿足最大功率追蹤的要求。結(jié)論目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為一種可再生能源，已得到長(zhǎng)足發(fā)展，取得了廣泛應(yīng)用。在研究各種文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展背景進(jìn)行了分析，然后，在實(shí)驗(yàn)中做了風(fēng)速模擬以及風(fēng)力機(jī)的模擬，并進(jìn)行了仿真研究，又著重探究了風(fēng)電系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)追蹤控制問題，并主要研究了三種爬山搜索法，通過仿真研究得出改進(jìn)的爬山搜索法具有更好的快速性和穩(wěn)定性。本文通過研究得到以下成果：（1）為了進(jìn)一步仿真研究，通過Matlab搭建了風(fēng)速模型，比較逼真地模擬了真實(shí)風(fēng)，而且，還搭建了風(fēng)力機(jī)的模型、發(fā)電機(jī)模型，并對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。（2）對(duì)于風(fēng)力機(jī)的模擬，因條件有限，本文是通過直流電機(jī)和一個(gè)閉環(huán)控制電路來實(shí)現(xiàn)的，仿真結(jié)果證明：模型能夠很好的代替風(fēng)力機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的研究。同時(shí)，本文還對(duì)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析。（3）分析了幾種MPPT控制方法，并著重研究了三種爬山搜索法，并且通過模擬仿真，得出：與固定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)爬山算法相比，改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山算法能使系統(tǒng)具有更高的效率和穩(wěn)定性。由于時(shí)間的倉促，還需要進(jìn)行的工作有：嘗試尋求更加優(yōu)化的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制方法，使輸出的功率波動(dòng)更小，提高系統(tǒng)的快速性和精確性。參考文獻(xiàn)[1]Nationalresearchcouncil.EnvironmentalImpactsofWindEnergyProject[M].WashingtonD.C:TheNationalAcademicPress,2007:17-21.[2]包耳,胡紅英.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào),2011,13(l):1.[3]江澤民.對(duì)中國能源問題的思考.中國能源,2008,(4):4-29[4]Ki-ChanKim,Seung-BinLim.AnalysisontheDirectDrivenHighPowerPermanentMagnetGeneratorforWindTurbine[C]