【風力發(fā)電系統最大功率跟蹤控制研究11000字（論文）】

風力發(fā)電系統最大功率跟蹤控制研究目錄TOC\o"1-2"\h\u28518風力發(fā)電系統最大功率跟蹤控制研究 15217摘要 115207第1章緒論 3270381.1課題背景 314221.2世界能源消費現狀 4196361.3風能資源的開發(fā)現狀 5149331.4論文的內容安排 711369第2章風力發(fā)電系統介紹 8227142.1風力發(fā)電系統的總體結構 8291332.2風力發(fā)電機組的分類 870242.3風力發(fā)電系統的計算 104900第3章風力風電系統最大功率點跟蹤控制策略的研究分析 1552753.1最大功率點跟蹤分析 15171973.2采用尖速比控制—最佳葉尖速比法 1562773.3采用功率曲線控制—功率反饋法 16183063.4爬山搜索算法 1830447第4章風力發(fā)電系統的建模與仿真 2159304.1仿真工具MATLAB的簡介 21163584.2風力發(fā)電系統建模 21109034.3仿真結果分析 2430791結論 2628829參考文獻 27摘要自工業(yè)革命以來，機械化程度愈發(fā)加深，對能源的需求也越來越大。隨著無限制的開采，傳統化石能源正面臨枯竭的危險。同時化石能源的大量使用而排放的氣體也帶來了如溫室效應等問題，引起了環(huán)境的不斷惡化。面如今，發(fā)展新能源已迫在眉睫。而風力發(fā)電正是在這種形勢下迅速發(fā)展起來的。并隨著技術的不斷發(fā)展進步，在市場中占據了越來越多的的份額。自然界中的風瞬息萬變，人們并不能如火力發(fā)電那樣，對燃料的燃燒進行合理控制，從而保證發(fā)電功率的穩(wěn)定與高效率。因此最大功率點的追蹤控制（MPPT）是風力發(fā)電中的核心問題。本文主要研究的就是其中常用的三種方法，對其進行分析比較，并用MATLAB對最佳葉尖速比法進行了建模仿真，對這種方法進行了驗證。本文首先介紹了該課題的研究背景，以及國內外風力發(fā)電技術的現狀，接著簡單介紹了風力發(fā)電系統的整體結構、風力發(fā)電機的分類，重點介紹了風力發(fā)電中需要用到的風能、風能利用系數、尖速比等公式的計算，提出了風力機的氣動方程。第三章重點研究了最大功率點追蹤的三種方法：最佳葉尖速比法、最佳功率曲線法、爬山搜索法。對其原理進行了細致分析，并就其優(yōu)缺點進行了比較。最后本文運用MATLAB建模仿真，分別搭建了風力機，發(fā)電機以及控制系統的模型，并采用最佳葉尖速比法進行了仿真驗證。關鍵詞：風力發(fā)電，最大功率點跟蹤控制，MATLAB，風力機模擬，仿真緒論課題背景能源是社會經濟持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎，也是人類生活的必要保證。長久以來，人們對自然資源的儲量缺乏科學的認識，沒有節(jié)約資源的可持續(xù)發(fā)展觀念，造成了極大的浪費。而在1973年，世界面臨嚴重的能源危機，能源緊缺的話題才被社會各界人士所重視。與此同時，石油、煤炭等化石能源隨著社會供需矛盾的加大，價格連番飆升，在極短的時間內就超越歷史上的最高價并繼續(xù)上升。此時，在如此嚴峻的形勢下，人們才意識到問題的嚴重性，隨著生產的機械化，社會的發(fā)展已離不開一次能源，更可悲的是竟找不到可以替代的的能源。不僅如此，由于技術的落后以及環(huán)保意識的缺乏，燃燒的后廢氣隨意排放到大氣中，給當時的環(huán)境帶來了很大的危害[[] 江澤民.對中國能源問題的思考.中國能源，2008，（4）：4-29]。

隨著石油價格的上漲，使得人們開始研究如何減少對石油等一次能源的依賴，除了節(jié)省能源，各界人士開始嘗試尋找新的資源，可再生能源便進入了考慮范圍，如各種形式的太陽能、[] 江澤民.對中國能源問題的思考.中國能源，2008，（4）：4-29在能源危機的考驗下以及各國的重視和政策的改變，風力發(fā)電技術進入了一個蓬勃發(fā)展期。風力機的單機發(fā)電容量和風電場的發(fā)電規(guī)模在整個發(fā)電系統中占據了越來越多的份額。資源含量龐大是風能最顯著的一個優(yōu)點，但也有其不可忽略的缺點。風力的隨機性和無規(guī)則的波動性都對風能的利用帶來了極大的挑戰(zhàn)，使得風能的利用率降低，同時，風是風力發(fā)電的源動力，風的不穩(wěn)定勢必帶來電能電壓、頻率的不穩(wěn)定，這對追求電能高質量以及并網帶來了極大的挑戰(zhàn)。風力發(fā)電系統的最大功率追蹤控制，能夠最大程度上利用風能，使風能的利用率提高，進而減少了人類對石油、煤炭等等一次能源的使用和依賴，也達到了保護環(huán)境的目的，同時，也使發(fā)出的電能比較穩(wěn)定，提高了經濟效益，因而這項研究具有很大意義。世界能源消費現狀煤炭，石油等都是傳統的一次能源，開采技術已經比較成熟，所以當前世界各國都以此為主要能源。隨著經濟的快速發(fā)展，機械化進程的加快，對能源的需求逐年增長，世界上對能源需求情況如REF_Ref70100920\h表11所示。從表中可以看出，在各國對一次能源的消耗中，石油依然高居第一位，煤炭和石油分別位居第二、第三。中國作為一個人口大國，國土面積廣闊，且中國正處于高速發(fā)展的時期，對能源的消耗不可避免的占據了很大的比重。首先，我國能源面臨嚴峻挑戰(zhàn)，雖總量可觀，但因人口眾多，人均資源占有量少，再加上技術方面相對落后，利用效率低，造成了很大的浪費。能源匱乏的威脅可能更快來到，能源缺口也會越來越大。其次，我國人口大多集中在農村，農村小康建設正在逐步推進中，這也會消耗大量的能源。第三，為了保證能源的供應，我國越來越依賴進口石油，隨著近幾年的經濟的飛速發(fā)展，石油進口量占據了更大的份額，這對我國的能源供應安全構成了一定的威脅。為了國家的可持續(xù)發(fā)展，改革委員會能源研究所提出，要大力發(fā)展可再生能源，以適當緩解能源供應問題[[] [] 吳靜.全球的風力發(fā)電發(fā)展情況[J].東北電力技術，2004，10：6-7.

時間地區(qū)201020

52020需求量比例%需求量比例%需求量比例%北美33.5629.4737.7129.2639.6229.03歐洲33.1629.4234.9927.1535.7626.20亞洲31.7727.9037.7329.2740.5529.71中東5.855.146.855.317.515.50非洲3.382.973.983.094.303.15南美洲6.145.397.635.928.766.42世界113.86100128.89100136.50100表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11世界能源需求風能資源的開發(fā)現狀1973年發(fā)生石油危機后，西方一些發(fā)達國家意識到了事情的嚴重性，能源的缺乏影響到了經濟的發(fā)展，尋找代替的清潔能源已迫在眉睫。為此，各國投入了大量的經費，組織了社會各界的專業(yè)人士進行這方面的研究。風力發(fā)電就是在這種社會背景下得到了飛速的發(fā)展[[] [] 趙振宙，陳星鶯.風力機原理與運用，2011國外風能資源的開發(fā)與風電發(fā)展現狀在上個世紀，歐洲的經濟一直處于領先狀態(tài)，風力發(fā)電技術也不例外。在面臨傳統化石能源枯竭的問題下，歐洲各國率先將目光轉移到了風能這一儲量驚人的清潔能源上，投入了大量精力研發(fā)風力發(fā)電技術，并陸續(xù)出臺了一系列政策促進風電的發(fā)展。如此，歐洲的風電技術一躍成為世界的領頭羊?，F如今，歐洲各國的風電在總電力中占據了兩成，在全球風電發(fā)展中獨領風騷[[] [] 觀偉，盧巖.國內外風力發(fā)電概括及發(fā)展方向[J].吉林電力，2008，2（36）：15-17上世紀八十年代，風力發(fā)電已經有了不小的發(fā)展，丹麥緊隨歐洲，迅速在風電市場布局，打開了風力發(fā)電的大門。一九九六年，丹麥提出了一個戰(zhàn)略目標，要在2005年達到1500兆瓦的風電裝機容量，這在其它國家看來是一個笑話，而事實上，在2000年就已經超過了這個目標。由此可見，丹麥風電的發(fā)展之迅速。德國也是一個風電發(fā)展強國，在20世紀90年代開始迅猛發(fā)展，風電裝機容量不斷提高，技術日趨成熟，隨之成本也在下降[[] [] 徐雷.風力機最大功率點跟蹤（MPPT）控制的建模與仿真.南京理工大學，2019隨著發(fā)電技術的成熟，依靠風力發(fā)電來提供能源的方式受到愈來愈多的青睞，全球的風力發(fā)電規(guī)模不斷擴大，據全球權威機構的統計結果，2007年，世界上新增的風電裝機容量2000萬KW。排在前列的國家見REF_Ref70169865\h表12。排名國家新增裝機容量1美國520萬千瓦2西班牙350萬千瓦3中國330萬千瓦4印度170萬千瓦5德國166萬千瓦表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s122007年風電新增裝機容量排名截至2007年，全球排在前十位的國家的累計裝機容量達8100萬千瓦，占全球的86%。如REF_Ref70171282\h表13所示。排名國家累計裝機容量1德國2230萬千瓦2美國1690萬千萬3西班牙1470萬千瓦4印度780萬千瓦5中國590萬千瓦6丹麥310萬千瓦7意大利270萬千瓦8法國250萬千瓦9英國240萬千瓦10葡萄牙220萬千瓦表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s13截至2007年累計發(fā)電裝機容量排名我國風能資源的利用與風電產業(yè)現狀因歷史上的一些原因，我國的科學技術發(fā)展相對落后，風力發(fā)電起步較晚，總體上來看，發(fā)展至今的風電，大致可以劃分為三個階段。第一階段為1986~1990年。這幾年，我國的風電剛剛起步，各種技術還不成熟，一切都在摸索中，經濟效益較低。但深知風電市場潛力巨大的各界人士并未被困難打敗，設計并建造了一些規(guī)模小、單機容量小的的風電場，起到了示范帶頭作用，為后續(xù)風電技術的發(fā)展指明了方向。第二階段為1991~1995年。經過第一階段的發(fā)展，國內已充分積累了風電技術方面的經驗。第二階段將第一階段積累的技術在原來的基礎上不斷創(chuàng)新，并成功應用于市場，先后建立了五個較大規(guī)模的風電場。風電場的成功投入使用，緩解了能源枯竭的壓力，也標志著我國風電技術的成熟。第三階段為1996年至今。經過近十年的發(fā)展，風電技術已十分成熟。而2005年新能源法的頒布，也意味著國家逐漸重視可再生能源的發(fā)展，在如此有利的政策下，風電產業(yè)又進入了一個快速發(fā)展的時期。建立了一個個規(guī)模龐大的風電場，裝機容量也處于世界前列[[] [] 李俊峰，高虎，王仲穎等.2008中國風電發(fā)展報告[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.10國內風力發(fā)電達到熱潮。目前為止，國家擬建5個千萬千瓦級風電基地。可以想象，不久的將來，風電在整個發(fā)電系統中將占據越來越重要的位置。論文的內容安排第一章簡單的介紹了風力發(fā)電研究的背景和意義，以及國內外風能的利用和風電產業(yè)的發(fā)展現狀。第二章對風力發(fā)電原理做了簡要的介紹。分析了風力發(fā)電系統的組成結構、風力發(fā)電機組的分類，以及風能的計算和貝茲定理等。第三章重點介紹了風力發(fā)電系統最大功率跟蹤控制方法的理論。對最佳葉尖速法、功率曲線法、和爬山搜索法這三種常見的方法進行了分析，并比較其優(yōu)缺點。第四章在MATLAB/SIMULINK中搭建了風力機模型、發(fā)電機模型、和控制系統模型在內的永磁直驅風力發(fā)電系統的模型，并通過仿真對最佳葉尖速比法進行了驗證。最后本文總結了本課題內容的不足之處，提出下一步需要改進的地方。風力發(fā)電系統介紹風力發(fā)電系統的總體結構風力發(fā)電機組的整體結構如REF_Ref70362241\h圖21所示。主要包括風力機、發(fā)電機、功率變換器以及測量與控制系統等。當風以某種速度和角度吹到槳葉上時，風輪旋轉，將風的動能轉化為機械能，繼而帶動發(fā)電機，將機械能轉化為電能。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11風力發(fā)電系統示意圖 風力發(fā)電機組的分類1.按裝機容量大小分（1）微型0.1~1KW（2）小型1~100KW（3）中型100~1000KW（4）大型1000KW以上2.按風輪軸方向分（1）水平軸機組這種機組在工作旋轉時，風輪旋轉平面垂直于地面。水平軸機組又因實際情況的不同劃分為兩種：若風輪按照在塔架前方，當風吹來時，風會首先經過風輪，就像玩具風車一樣，風輪迎風而動，從而捕獲風能，帶動發(fā)電機，發(fā)電效率比較高，但隨之的也有一個缺點，就是風輪必須時刻對準風向，才能更好的捕獲風能，但瞬息萬變的風顯然不可能一直保持一個方向，所以就需要按照一種控制裝置來檢測風向，根據風向來調節(jié)風輪的方向，從而保證風輪時刻對準風向，這種機組叫做上風向機組；另一種是風輪安裝在塔架的后面，當風吹來時，風先經過塔架，之后才吹向風輪，因特殊的設計使得這種機組能夠自動對準風向，但顯而易見的，流經塔架后的風必然損失一部分動能，這降低了風力機的發(fā)電性能[[] [] 宋亦旭.風力發(fā)電機的原理與控制.北京：機械工業(yè)出版社，2012.2（2）垂直軸機組這種機組風輪軸垂直與風向。其有一個最大的優(yōu)點，即可以接收各個方向的風，因此并不需要調向裝置。但也有其不可忽略的缺點—建造過程中需要大量的材料，同時占地面積大，增加了生產成本，降低了發(fā)電的收益。3.按漿距角的變化分（1）定槳距機組此種機組在設計之初便將葉片固定在了輪轂上，因此槳距角是一個固定數值，即使當風速發(fā)生變化時也無法改變功率，僅僅只能依靠葉片的固有特性來稍微調節(jié)輸出功率。（2）變槳距機組顧名思義，槳距角可以改變。當風速變化時，可通過適當改變槳距角使得發(fā)電功率保持穩(wěn)定。這對大型的風力發(fā)電機組具有非常重要的意義。4.按發(fā)電機轉速高低分（1）高轉速發(fā)電機型地區(qū)環(huán)境的不同，風速也不同，但通常情況下，風速不會太大，所以風輪的轉速一般是很低的。而發(fā)電機的轉速一般很大，風輪的轉速遠遠達不到發(fā)電機的要求。為了解決這個問題，便有了齒輪箱的存在，它有增速的作用。（2）直接驅動型這種機組因風力機直接拖動發(fā)電機而得名，它去掉了齒輪箱，同時使用多極同步發(fā)電機，使機組可以運行在低速狀態(tài)下。這就減少了齒輪箱帶來的的噪音大，設備故障等問題，同時減少了維護成本，提高了經濟效益。（3）中轉速發(fā)電機型這種機組結合了以上兩種機組。采用的是中轉速發(fā)電機，在減少了齒輪箱的同時，也減少了風力發(fā)電機的極數，大大減少了機組的體積。5.按發(fā)電機轉速變化分（1）定速定速發(fā)電機組又稱恒速發(fā)電機組，即發(fā)電機的轉速保持恒定不變，不隨風速的變化而變化。（2）多態(tài)定速多態(tài)定速風力發(fā)電機包含兩臺及兩臺以上的發(fā)電機，可以根據不同的實際情況改變投入運行的發(fā)電機數量。（3）變速變速風力發(fā)電機組的轉速可以根據風速的變化而實時改變。目前變速恒頻運行方式是運用最廣泛的[[] [] 宋奕旭.風力發(fā)電機的原理與控制.北京：機械工業(yè)出版社，2012.2風力發(fā)電系統的計算風的動能的計算風力機捕獲的是風的動能，其能量的大小可以用風功率來表示。風功率即：單位時間內，以一定的速度垂直通過截面積為s的風所具有的動能。那么風的動能可以表示為： （2.1）式中—風能，單位為J；—氣流質量，單位為kg；—風速，單位為m/s。假設單位時間內流過截面面積為s的氣體體積為V，氣體密度為，該氣體的質量可以表示為： （2.2）將以上兩式結合，風的動能表示為： （2.3）風力機氣動理論-貝茲定理風輪是固定在輪轂上的，葉片的數量也是有限的，而當風吹來時，風速與方向又是無規(guī)則的，且會遭受一定的阻力，所以想要準確的對風能進行計算是不現實的。因此提出了一個假想：即風輪是在“理想”條件下建立的，葉片無限多，能夠全部將風能接收并轉化，忽略了空氣阻力等外在因素，吹來的氣流均勻，并且能夠準確垂直作用到葉片上。在此基礎上提出了風力機的氣動理論-貝茲定理[[] [] 佘峰.永磁直驅式風力發(fā)電系統中最大功率控制的仿真研究.長沙：湖南大學，2000假設風在吹到風輪之前的風速為1，此時的氣流面積為s1，當流經風輪，吹到葉片上時風速為，風速面積為s，吹過風輪后，風速為2，面積為s2，由假設可知，風輪將風的動能全部轉化為機械能，且1>2，s1<s2[[] 楊俊華，吳捷.風力發(fā)電機組的非線性控制—變結構控制與魯棒控制.動力工程，2003，23（6）：2803-2809]。如圖REF_Ref70794433\h圖22所示[] 楊俊華，吳捷.風力發(fā)電機組的非線性控制—變結構控制與魯棒控制.動力工程，2003，23（6）：2803-2809圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12貝茲定理計算簡圖氣體流經風輪前后質量沒有發(fā)生改變，于是： s11=s=s22 （2.4）由歐拉定理可得： （2.5）式中—風作用在葉片上的力。由式（2.5）可得風輪在氣流經過后吸收的功率： （2.6）而風在經過風輪后動能的變化為： （2.7）令可得： （2.8）將式（2.8）代入（2.5）和（2.6）可以表示為： （2.9） （2.10）由于為風輪前方吹來的風速，可以測量得到，所以在式（2.9）（2.10）中，只有是未知的變量，所以可以將上述的式子看作是以為變量的函數，將（2.10）進行微分計算可得到： （2.11）將式（2.11）等于0，可求解方程得到 （2.12）將（2.12）代入（2.10）中可得最大功率的表達式為： （2.13）由式（2.3）可知風最初的動能，兩式相除可得到風力機對風能的利用效率，即理論上的風能利用系數： （2.14）這個結果只是貝茲定理理論上的極限值，因為貝茲定理本身便是一個理想模型，在現實條件下無法做到，而在風流運動過程中又不可避免地會損失一部分能量，而計算過程中很難去定量這部分能量，所以在忽略這些之后得到的計算結果只是理想情況下的極限值。風能利用系數還與風力機本身的型號有關，不同的設計樣式會有不同的風能利用系數。在實際的生產運行中都希望盡可能得到最大的風能利用系數，以目前的技術水平，生產出的風力機設備的風能利用系數大都能保持在0.4-0.5[[] [] 葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術.北京：機械出版社，2003葉尖速比和槳距角也是風力發(fā)電系統中比較重要的參數，在最大功率跟蹤控制研究時不可或缺，下面對其簡單介紹：葉尖速比用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示[[] [] 王棟.風力發(fā)電機的最大功率跟蹤控制方法研究.呼和浩特：內蒙古大學，2009 （2.15）式中—風輪的轉速；R—風輪半徑；—風速。由此式可以看出，葉尖速比除了與風輪固有特性半徑有關，還與風輪轉速、風速成函數關系。風輪葉片上某一點的弦線和葉片平面間的夾角稱為槳距角，在前述的定槳距風力發(fā)電機組中，槳距角不能改變，而變槳距風力發(fā)電機組的槳距角可以因風速的實時情況發(fā)生改變[[] 吳迪，張建文.變速直驅永磁風力發(fā)電機控制系統的研究[J].大電機技術，2006，（6）：51-55[] 吳迪，張建文.變速直驅永磁風力發(fā)電機控制系統的研究[J].大電機技術，2006，（6）：51-55風力機的特性分析在后續(xù)的對風力機建模中，因風力機模型的復雜，風輪的幾何學問題造成了很大的阻礙，還會帶來繁雜的計算問題，為了簡化這些問題，進行了大量的研究，后來設計出了一種簡易的模型來代替，它反映了風速與從風速中獲得的能量的關系，氣動方程如下[[][] YukinoriInoue，ShigeoMorimoto，MasayukiSanada.ControlMethodforDirectTorqueControlledPMSGinWindPowerGenerationSystem[C].2009IEEE （2.16） （2.17） （2.18）式中—掃過風輪的風的功率；—空氣密度；—通過風輪前的風速；—風輪的半徑；—風能利用系數。風能利用系數代表了風力機對風能的利用效率，從上式中可以看出，它與風速、風輪的轉速、槳距角等有關。結合式（2.17）（2.18），在槳距角分別取，，，時，可以用MATLAB作出關于的曲線。如REF_Ref70947577\h圖23所示。觀察圖中曲線可以看出：當槳距角逐漸增大時，風能利用系數呈漸減小的趨勢；當葉尖速比增大時，風能利用系數先開始增大，但增大到一定程度后反而開始減少，從中可以得到一個峰值，即最佳葉尖速比[[] 徐洪話，倪受元.獨立運動發(fā)電機組的最佳葉尖速比控制，太陽能學報，1998，19（1）：30-50]。當槳距角取一固定值時，風能利用系數曲線只與葉尖速比成函數關系。從圖中可以明顯觀察到，當葉尖速比一定的情況下，槳距角為0時，風能利用系數最大，數值大約為0.4382，此時對應的葉尖速比大約為6.333。這條曲線也就是定槳距風力機的曲線，是變槳距研究的基礎，后續(xù)的研究中將以此為基礎進行研究。[] 徐洪話，倪受元.獨立運動發(fā)電機組的最佳葉尖速比控制，太陽能學報，1998，19（1）：30-50圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s13取不同值時的曲線風力風電系統最大功率點跟蹤控制策略的研究分析最大功率點跟蹤分析風力發(fā)電不同于傳統的火力發(fā)電，它利用的是自然界中毫無規(guī)律可言的風，風速的大小、風作用在風輪上時的方向等都是不可控的。而隨著風速的改變，風力機的轉速不可避免地發(fā)生變化，緊接著風力機帶動的發(fā)電機的轉速也會發(fā)生變化，后續(xù)又會引起發(fā)電電壓和頻率的不穩(wěn)定，可謂是牽一發(fā)而動全身。在現實生活中，人們需要的是從電網中得到的恒壓恒頻的電能，不穩(wěn)定的電在與電網并網時也會帶來各種問題。從發(fā)電的經濟效應來看，人們都希望如火力發(fā)電中對燃料的充分燃燒來提高效率，對風力發(fā)電，人們也希望能夠對風能充分利用，即上章中提到的風能利用系數達到最大。因此我們希望在風速發(fā)生變化時，風力機始終運行在最大功率下，從而提高發(fā)電效率。從上章的介紹中已經可以了解到：風能利用系數表示了風力機對風能的利用效率，它與風速、風輪的轉速以及槳距角有關，可以做出曲線，如REF_Ref70947577\h圖23所示。由于生產廠家不同，這條曲線雖然略微有所不同，但大體上是一致的，都可以從生產廠家查詢得到。前面已經分析得出，對每一臺的風力機的曲線中都存在一個最佳葉尖速比，此時的風能利用系數最大，也即是風力機運行在最大功率狀態(tài)下。風力機的最大功率跟蹤是指在額定風速以下，通過調節(jié)風輪轉速，使其隨著風速的變化而變化，從而使風力機保持在最佳葉尖速比狀態(tài)，將風能利用系數保持在最大值，獲得最大功率輸出的方法[[] 彭國平，李帥，魚振民，易萍虎.小型風電系統最大功率跟蹤的研究.西安交通大學學報，2004，38（4）：357-360]。這也是風力發(fā)電中最重要的問題，目前常用的主要有直接采用尖速比控制的最佳葉尖速比法、采用最佳功率曲線控制的功率反饋法和爬山搜索法。下面將會對這三種方法一一進行分析比較。[] 彭國平，李帥，魚振民，易萍虎.小型風電系統最大功率跟蹤的研究.西安交通大學學報，2004，38（4）：357-360采用尖速比控制—最佳葉尖速比法此方法依賴于風力機本身的風能利用系數曲線，一般可從生產廠家得到。具體做法為：在風輪的前方安裝一個可以測量風速信號的測量儀，可以實時得到作用于風輪上的風速情況。一旦風速發(fā)生變化，通過測量得到變化后的風速，結合風力機的固有特性曲線，在保持最佳葉尖速比不變的情況下，通過式（2.15）計算出此風速下的最佳轉速，然后將計算得到的最佳轉速與風力機的實際轉速相比較，得到一個誤差信號，輸入到控制器，組成一個閉環(huán)控制系統，以此來達到調節(jié)轉速的目的。如REF_Ref71113317\h圖31所示。 轉速測量最佳轉速計算控制器發(fā)電機風力機 功率輸出轉速測量最佳轉速計算控制器發(fā)電機風力機 風速信號風速信號 - +圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11最佳葉尖速比法控制流程圖最佳葉尖速比法在使用時需要測量風速、轉速，轉速的測量比較簡單，關鍵是風速的測量。首先是風速的無規(guī)則性給測量帶來了很大的挑戰(zhàn)，其次外界的干擾也影響了測量結果的準確性。風速計若安裝在遠離風輪的地方，測量得到的風速與實際作用在風輪上的風有一定的誤差；若安裝在靠近風輪的地方，風輪在旋轉時又會引起周圍氣流的變化，給風速的測量帶來很大的擾動。這種方法是最大功率追蹤的基礎，但由于實際操作的困難，風速信號的測量有不小的誤差，應用范圍不算廣泛。在實驗的模擬仿真時，可以給定一個準確的風速信號，忽略了外部環(huán)境的影響，因此本文就應用了此方法進行控制仿真。采用功率曲線控制—功率反饋法此方法可以簡單描述如下：當風速發(fā)生變化時，可以測量得到此時的轉速，然后根據風力機的功率曲線計算出此時發(fā)電機的輸出功率，將它與最佳功率進行比較，進而適當調節(jié)發(fā)電機的輸出功率，以實現在其最佳功率下運行，從而達到最大風能追蹤的目的。如REF_Ref71139595\h圖32所示發(fā)電機風力機 功率測量 功率輸出發(fā)電機風力機控制器控制器 w最佳功率計算 pref p最佳功率計算 + -圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12最佳功率曲線控制流程圖從上章中已經得到，風力機的功率輸出為： （3.1）如果忽略系統傳動過程中的損耗，電功率=。當=0時： （3.2） （3.3）依據上述兩式可以做出在不同風速下，電功率關于轉速的曲線。上章已經得到風能最大利用系數=0.4382與最佳葉尖速比=6.333，將此數據代入上述兩式，此次計算中，我們選用了一個半徑為1.5m的風輪，一般情況下空氣密度=1.225kg/m^3，此時做出的曲線就是這個風力機的電功率關于轉速的最佳功率曲線。為了便于觀察比較，可以將上述兩組曲線繪制在一幅圖中[[] 王棟.風力發(fā)電機的最大功率跟蹤控制方法研究.呼和浩特：內蒙古大學，2009]，如REF_Ref71140296\h圖33所示。從第一組曲線中可以看出：在不同的風速下，每條曲線都有一個峰值，即此時的轉速下輸出功率最大。第二組曲線為最佳功率曲線，每一個點都運行在最佳功率狀態(tài)下，也就是最佳葉尖速比狀態(tài)下。它與第一組的各條曲線都有一個交點，若忽略外界的影響，這個交點即為各條曲線的峰值點，也即是最大功率點。此時的轉速為某個特定的風速下的最佳轉速，可以最大限度的利用風能，風能利用系數最大。因此，在運行時，不用測量風速，只需測量該風速下的轉速，根據最佳功率曲線，就可得到最佳運行功率，然后與實際功率進行比較，根據比較結果適當調節(jié)發(fā)電機的輸出功率，以此使風力機能最大程度的運行在最佳功率上。[] 王棟.風力發(fā)電機的最大功率跟蹤控制方法研究.呼和浩特：內蒙古大學，2009此種方法省去了不容易測量的風速，大大提高了數據精確性，有很高的實用價值。但也有一些缺點，在系統運行前期，根據不同的風力機型號，需要進行大量的仿真實驗來測繪出最佳功率曲線，加大了生產成本。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13不同風速時電功率關于轉速的曲線爬山搜索算法為了一定程度上克服以上兩種方法的缺點，有人提出了應用爬山搜索法來進行最大功率點的尋找。爬山搜索法，顧名思義，這種算法以類似爬山而得名。它首先隨意選擇一個方向出發(fā)，從當前節(jié)點開始，與周圍的節(jié)點進行比較，如果當前節(jié)點大于周圍節(jié)點，那么就繼續(xù)這個方向爬山，如果當前節(jié)點小于周圍的節(jié)點，那么以這個節(jié)點代替當前節(jié)點，直至走到山頂。這是爬山搜索算法的基本思想。將此算法應用于最大功率點的追蹤上，可以大致描述為：首先測量當前功率的大小P（n），然后施加某個轉速擾動Δω造成對當前功率的干擾，隨后測量變化后的功率大小P（n+1），并將兩個功率進行比較，如果P（n+1）大于P（n），那么繼續(xù)以當前擾動方向進行干擾；如P（n+1）小于P（n），那么以相反的方向施加擾動，即-Δω[[] 賈要勤，曹秉剛，楊仲慶.風力發(fā)電的MPPT快速響應控制方法.太陽能學報，2004，25（2）：171-176]。具體流程如REF_Ref71382745\h圖34[] 賈要勤，曹秉剛，楊仲慶.風力發(fā)電的MPPT快速響應控制方法.太陽能學報，2004，25（2）：171-176結束ω（n+1）=ω（n）+ΔωΔω=-ΔωP（n+1）>P（n）功率測量開始結束ω（n+1）=ω（n）+ΔωΔω=-ΔωP（n+1）>P（n）功率測量開始 否 是圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14爬山搜索法流程框圖爬山搜索法既不需要測量風速，也不需要測繪最佳功率曲線，只需要施加轉速擾動就可搜索到最佳功率。但世上并沒有盡善盡美的方法，爬山搜索法也有它不可忽視的缺點：頻繁的施加轉速擾動必然使得風輪轉速更加不穩(wěn)定，處于時刻震蕩中。當運行在離最大功率點較遠的狀態(tài)時，使用爬山搜索法就需要較長的時間才能搜索到最大功率點，對于瞬息萬變的風來說，這顯然無法滿足系統的快速跟蹤性。當使用的轉速擾動過大時，有可能會因跳過最大功率點而導致無法搜索到最大功率點，這必然會導致轉速在最大功率點附近震蕩。風力發(fā)電系統的建模與仿真仿真工具MATLAB的簡介1980年，美國一位博士CleverMoler開發(fā)出了MATLAB語言，在后續(xù)的幾年中，為了解決更多實際問題，在各位學者專家以及公司的不斷研究創(chuàng)新下，優(yōu)化了很多板塊，歷經幾次擴充升級，現在已經發(fā)布到MATLAB7.0以上版本。MATLAB最初的設計是為了解決數學中各種復雜的矩陣運算，早期主要用于計算科學和工程中的復雜計算，隨著模塊功能的增多，功能更加豐富，更由于它使用方便、輸入快捷高效、運算迅速深受用戶的青睞，成為了最常用的計算機輔助設計軟件工具[[] [] 張學敏，倪虹霞.MATLAB基礎及應用[M].北京：中國電力出版社，2009Simulink是在1993年發(fā)布的，它以MATLAB強大的計算功能為基礎，以直觀的模塊框圖進行仿真和計算，在各學科領域可以根據自己的需要，在MATLAB的基礎上，開發(fā)了許多專用的模型程序，這些程序并以模塊的形式放到了Simulink中，形成了各種豐富的模塊庫。在實際的建模過程中，我們只需要通過拖動需要的模塊并連接就可繪制出仿真對象的框圖。它不僅為各種實際問題的研究提供了仿真工具，還帶來了極大的便利[[] [] 陳中.基于MATLAB的電力電子技術和交直流調速系統仿真.北京：清華大學出版社，2014風力發(fā)電系統建模風力發(fā)電系統的最大功率追蹤即讓風電系統運行在最大功率下，核心思想就是運行在最佳葉尖速比下，本文便以此為基礎在MATLAB中建立風力發(fā)電系統模型，對最佳葉尖速比法進行仿真驗證。風力機模型模型采用永磁直驅式設計，風輪的運動方程如下： （4.1）風輪的功率為： （4.2）其