CN103867387A - 基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，包括步长、调整频率、停止功率跟踪门限等参数初始值的设定；对电压、电流以及频率进行采样步骤；判断调整频率的大小等步骤，整个操作过程精简，便于实施，实用性强；通过改变步长、跟踪频率、停止跟踪功率门限来进行多维度控制，改善跟踪的动态性能，提高跟踪的准确度；采用动态间隔吸收功率策略，当风速较低风机转速较慢时解决风机失速运行及停止转动等问题，实用性强；当风机的转速连续多次判断无变化后，强制对步长、跟踪频率、停止跟踪功率门限进行调节后继续跟踪，采用强制重新启动跟踪机制，解决长时间转速测量不变化带来跟踪失效问题，以适应风速随机波动的情况，提高跟踪准确度。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别地，涉及一种基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法。
背景技术
随着全球范围内能源危机形势愈发明显，开发可再生能源已成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能因其在全球范围内蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染的特性，使风力发电成为研究较为广泛的一种可再生能源。如何最大效率地捕获风能是风力发电研究的重点问题。
变速恒频的风力发电***中常用的最大功率跟踪（MPPT）控制采用的方法有叶尖速比法、爬山法寻优控制以及功率曲线法。由于功率曲线法是根据风机最大功率曲线，测量不同的转速，控制输出功率，使其无限接近于最大功率曲线，能很好地适应风速的变化，因而在风力发电机组应用广泛。然而，功率曲线法在最大功率跟踪精度、动态性能等问题已愈发受到关注。
由于最大功率曲线和转速的测量存在误差，将直接影响最大功率跟踪的精度。传统的功率曲线法主要考虑一簇对应于不同风速的风机稳态工作点，却忽视了风机跟踪的动态过程及其性能，特别是低风速环境下风机跟踪问题将凸显。
因此，发明一种适合高低风速以及跟踪准确度高的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法具有重要的实用意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种同时适合高风速和低风速以及跟踪准确度高的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，具体技术方案如下：
一种基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：初始化，获取风机的初始转速ω(0)，设定停止功率跟踪门限setPd(0)、调整频率f(0)、初始步长Step(0)、最小转速调节门限setSd以及动态间隔不同时段时长T；
步骤2：对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样，根据电压U(k)以及电流I(k)计算第k次跟踪时所输出的实际功率P(k)，根据频率f0(k)计算风机的转速ω(k)，k大于等于1；之后执行步骤3；
步骤3：判断风机的转速ω(k)的高低，若处于高转速时，则执行步骤4；否则，按照动态间隔吸收功率策略进行，之后执行步骤10；
步骤4：判断调整频率f(k)是否满足调整频率公式①：
f(k)=f|Δω(k)|≤f|ω(k)-ω(k-1)|≥setSd ①，
若满足，则执行步骤5；否则，执行步骤10；
步骤5：判断风机的转速ω(k-1)与ω(k)是否相同，若相同，执行步骤6；否则，则保存ω(k)的数值至ω(k-1)中，之后执行步骤7；
步骤6：判断风机的转速连续N次是否有变化，N大于等于2且小于等于100，若无变化，执行步骤7；否则，执行步骤10；
步骤7：采用线性插值计算公式计算出最大输出功率Pm(k)；设定停止功率跟踪门限setPd(k)、调整频率f(k)以及步长Step(k)，之后执行步骤8；
步骤8：比较实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式②：
P(k)-Pm(k)<-setPd(k) ②，
则实际功率点处于最大功率点的右侧，增加占空比，占空比的增量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，执行步骤9；
步骤9：实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式③：
P(k)-Pm(k)>setPd(k) ③，
则实际功率点处于最大功率点左侧，减小占空比，占空比的减小量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，标志已找到最大功率点，执行步骤10；
步骤10：令k=k+1，并返回步骤2；
其中，所述动态间隔吸收功率策略至少包括一个动态间隔吸收功率过程，所述动态间隔吸收功率过程为：在T时间内，先在T1时段进行最大功率跟踪，在T2时段释放风机使得风机的转速回升，其中，T满足公式④：
T=T1+T2④。
以上技术方案中优选的，所述步骤1中：所述停止功率跟踪门限setPd(0)按照公式⑤获得：
setPd(k)=λsetPd(k)·Pm(k)·(1－ηmppt) ⑤，
其中，Pm(k)取切入风速时最大输出功率，切入风速时，k=0；λsetPd(k)为调整系数，取值范围为(0,1]；ηmppt为预期目标达到的最大功率跟踪效率；
所述最小转速调节门限setSd为：引起转速变化的一个判定阈值，取值范围为风机的额定转速的0-0.1倍；若前后两次转速测量值大于该值，则判定为本次调节引起风机转速变化；否则，判定为本次调节没有引起风机转速变化；优选的，所述最小转速调节门限setSd为0；
所述初始步长Step(0)为：风机在切入风速时能够引起转速变化的最小占空比的值；
所述调整频率f(0)为：在切入风速下，最大跟踪功率输出稳定后，占空比再增加Step(0)扰动时，首次转速达到最小占空比值Step(0)引起的转速变化量时所需的采样次数，此次数即为在该风速下的调整频率。
以上技术方案中优选的，所述动态间隔吸收功率过程中：在切入风速下，最大功率跟踪稳定后，快速调节风洞风速至额定风速，此时风机失速运行或甚至停止转动，将风机空载，当风机转速上升至高低转速判断门限值时的时间即为T2，T1为T2的2-50倍。
以上技术方案中优选的，所述步骤2中的输出功率P(k)通过公式⑥获得：
P(k)=U(k)×I(k) ⑥；
所述风机转速ω(k)通过公式⑦获得：
ω(k)=60×f0(k)/p ⑦，
其中p为电机旋转磁场的极对数。
以上技术方案中优选的，所述步骤3中判断风机转速ω(k)高低的方法：对风机进行最大功率跟踪，在风机切入风速稳定跟踪后，记录此时风机的转速ω1，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，观察是否能输出额定功率，若能，此时ω1就是风机的转速高低判断门限值；若不能，则在前一风速上增加Δv，跟踪稳定后，记录此时风机的转速ωn，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，若不能输出额定功率，则继续增加风速重复测试，快速调节风洞风速至风机额定风速，直至风机再次稳定跟踪后恰好能输出额定功率，对应之前跟踪稳定时风机的转速ωn就是风机的转速高低判断门限值；当风机的转速小于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速低；当风机的转速大于或等于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速高；Δv取值范围为额定风速与切入风速之差的0.01-0.2倍。
以上技术方案中优选的，所述步骤7中最大输出功率Pm(k)通过功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1,2,…,n；采用线性插值法的公式⑧获得：
Pm(ω)=Pm(ωi-1)+[(ω-ωi-1)/(ωi-ωi-1)]×(Pm(ωi)-Pm(ωi-1)) ⑧。
以上技术方案中优选的，所述步骤7中步长Step(k)的值如下确定：当|P(k)-Pm(k)|>setPd(k)时，Step(k)满足公式⑨：
Step(k)=KStep(k)·|P(k)-Pm(k)|≤Dadj ⑨，
其中KStep(k)是调整步长的系数，KStep(k)>0；Dadj为软件设定的最大调调整步长值，取值为硬件最大可调整占空比的0-0.05倍；
当|P(k)-Pm(k)|≤setPd(k)时，Step(k)取值为0；
所述停止功率跟踪门限setPd(k)根据公式⑤获得；
所述调整频率f(k)根据公式①获得。
以上技术方案中优选的，所述步骤2中对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样所获得的值经过滤波处理。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法操作步骤精简，便于实施，实用性强；保留了功率曲线法适用于风速快速变化的特性，通过改变步长、跟踪频率、停止跟踪功率门限来进行多维度控制，改善跟踪的动态性能，提高跟踪的准确度；风机转速低时，采用动态间隔吸收功率策略，动态间隔地从风机吸收最优功率，解决了当风速较低，风机转速较慢时，进行最大功率跟踪时调节负载特性，造成的风机失速运行以及停止转动等问题，实用性强；当风机的转速连续多次判断无变化后，强制进行步长、跟踪频率、停止跟踪功率门限的调节并进行后续跟踪，即强制重新启动跟踪机制，解决因长时间所测量风机的转速不变而带来的跟踪失效问题，以适用于风速随机波动的情况，提高跟踪的准确度。
（2）本发明的停止功率跟踪门限setPd(0)、调整频率f(0)、初始步长Step(0)、最小转速调节门限setSd以及动态间隔不同时段时长T的初始值可以根据具体的公式或者试验方法获得，提高后续跟踪的准确度。
（3）本发明中输出功率P(k)以及风机转速ω(k)的计算通过现有的公式计算所得，操作方便，且结果准确度高，提高后续的跟踪准确度。
（4）本发明中停止功率跟踪门限setPd(k)、调整频率f(k)、步长Step(k)均能够通过相关关系式确定，实时动态地调整，改善了动态性能，提高了准确度。
（5）本发明中最大输出功率Pm(k)通过线性插值法实现曲线拟合，准确度高。
（6）本发明中电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)等相关采样所获得的值经过去极值取平均滤波算法处理，降低外界干扰，提高准确度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1中基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法的流程图；
图2是本发明优选实施例2中跟踪功率曲线与最大功率曲线的对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，详见图1，具体包括以下步骤：
步骤1：初始化，获取风机的初始转速ω(0)，设定停止功率跟踪门限setPd(0)、调整频率f(0)、初始步长Step(0)、最小转速调节门限setSd以及动态间隔不同时段时长T，所述停止功率跟踪门限setPd(0)按照公式⑤获得：
setPd(k)=λsetPd(k)·Pm(k)·(1－ηmppt) ⑤，
其中，Pm(k)取切入风速时最大输出功率，切入风速时，k=0，即Pm(k)=Pm(0)；λsetPd(k)为调整系数，取值范围为(0,1]，之后可根据Pm(k)大小作适当调整；ηmppt为预期目标达到的最大功率跟踪效率，则通过公式⑤得出setPd(0)的值；
所述最小转速调节门限setSd为：引起转速变化的一个判定阈值，取值范围为风机的额定转速的0-0.1倍，具体还可以根据风机的特性进行确定；若前后两次转速测量值大于该值，则判定为本次调节引起风机转速变化；否则，判定为本次调节没有引起风机转速变化；
所述初始步长Step(0)为：风机在切入风速时能够引起转速变化的最小占空比的值；
所述调整频率f(0)为：在切入风速下，最大跟踪功率输出稳定后，占空比再增加Step(0)扰动时，首次转速达到最小占空比值Step(0)引起的转速变化量时所需的采样次数，此次数即为在该风速下的调整频率；
步骤2：对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样，并对采样所得的电压U(k)、电流I(k)以及频率f(k)值进行滤波处理，输出功率P(k)通过公式⑥获得：
P(k)=U(k)×I(k) ⑥；
所述风机转速ω(k)通过公式⑦获得：
ω(k)=60×f0(k)/p ⑦，
其中p为电机旋转磁场的极对数；
之后执行步骤3；
步骤3：判断风机转速ω(k)的高低，若处于高转速时，则执行步骤4；否则，按照动态间隔吸收功率策略进行；之后执行步骤10；
其中，所述风机转速ω(k)的高低判断方法为：让软件核心算法对风机进行最大功率跟踪，在风机切入风速稳定跟踪后，记录此时风机的转速ω1，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，观察是否能输出额定功率，若能，此时ω1就是风机的转速高低判断门限值；若不能，则在前一风速上增加Δv，跟踪稳定后，记录此时风机的转速ωn，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，若不能输出额定功率，则继续增加风速重复测试，快速调节风洞风速至风机额定风速，直至风机再次稳定跟踪后恰好能输出额定功率，对应之前跟踪稳定时风机的转速ωn就是风机的转速高低判断门限值；当风机的转速小于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速低；当风机的转速大于或等于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速高；Δv取值范围为额定风速与切入风速之差的0.01-0.2倍；
所述动态间隔吸收功率策略至少包括一个动态间隔吸收功率过程，所述动态间隔吸收功率过程为：在T时间内，先在T1时段进行最大功率跟踪，在T2时段释放风机使得风机的转速回升，其中，T满足公式④：
T=T1+T2④，
其中，所述动态间隔吸收功率过程中：在切入风速下，最大功率跟踪稳定后，快速调节风洞风速至额定风速，此时风机失速运行或甚至停止转动，将风机空载，当风机转速上升至高低转速判断门限值时的时间即为T2，T1为T2的2-50倍；
步骤4：判断调整频率f(k)是否满足调整频率公式①：
f(k)=f|Δω(k)|≤f|ω(k)-ω(k-1)|≥setSd ①，
若满足，则执行步骤5；否则，执行步骤10；
步骤5：判断风机的转速ω(k-1)与ω(k)是否相同，若相同，执行步骤6；否则，则保存ω(k)的数值至ω(k-1)中，即保存本次转速值于前一次转速值的变量中，之后执行步骤7；
步骤6：判断风机的转速连续N次是否有变化，N大于等于2且小于等于100，若无变化，执行步骤7；否则，执行步骤10；
步骤7：采用线性插值计算公式计算出最大输出功率Pm(k)，最大输出功率Pm(k)通过功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1,2,…,n；采用线性插值法的公式⑧获得：
Pm(ω)=Pm(ωi-1)+[(ω-ωi-1)/(ωi-ωi-1)]×(Pm(ωi)-Pm(ωi-1)) ⑧，
具体为：根据功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1，2，…，n；对转速ω进行采样ω=ω(k)，当转速ω满足∣ω-ωi-1∣≤ε，则Pm(ω)满足公式Pm(ω)=Pm(ωi-1)；当转速ω满足∣ω-ωi∣≤ε时，则Pm(ω)满足公式Pm(ω)=Pm(ωi)；当ωi-1+ε<ω<ωi-ε时，Pm(ω)满足公式⑧；其中ε为一个很小的正数；
设定停止功率跟踪门限setPd(k)、调整频率f(k)以及步长Step(k)，之后执行步骤8；
其中，所述步长Step(k)的值如下确定：当|P(k)-Pm(k)|>setPd(k)时，Step(k)满足公式⑨：
Step(k)=KStep(k)·|P(k)-Pm(k)|≤Dadj ⑨，
其中KStep(k)是调整步长的系数，KStep(k)>0，可根据具体风机的特性进行整定；Dadj为软件设定的最大调调整步长值，取值范围为硬件最大可调整占空比的0-0.05倍；
当|P(k)-Pm(k)|≤setPd(k)时，Step(k)取值为0；
所述停止功率跟踪门限setPd(k)根据公式⑤获得；
所述调整频率f(k)根据公式①获得；
步骤8：比较实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式②：
P(k)-Pm(k)<-setPd(k) ②，
则实际功率点处于最大功率点的右侧，增加占空比，占空比的增量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，执行步骤9；
步骤9：实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式③：
P(k)-Pm(k)>setPd(k) ③，
则实际功率点处于最大功率点左侧，减小占空比，占空比的减小量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，标志已找到最大功率点，执行步骤10；
步骤10：令k=k+1，并返回步骤2。
若本发明方法是在BUCK-BOOST电路拓扑上实施的，增加或减小工作于对应BUCK或BOOST电路拓扑时的占空比，其中对应BUCK电路拓扑时：占空比的增加用PwmBuckVal+表示，占空比的减小用PwmBuckVal-表示；其中对应BOOST电路拓扑时：占空比的增加用PwmBoostVal+表示，占空比的减小用PwmBoostVal-表示。
实施例2：
采用150W垂直轴的风力发电机组以及基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法同实施例1，具体包括以下步骤：
步骤1：初始化，获取风机的初始转速ω(0)，设定停止功率跟踪门限setPd(0)=1.5W、调整频率f(0)=5、初始步长Step(0)=15、最小转速调节门限setSd=0RPM以及动态间隔不同时段时长T=135s，所述停止功率跟踪门限setPd(0)按照公式⑤获得：
setPd(k)=λsetPd(k)·Pm(k)·(1－ηmppt) ⑤，
其中，Pm(k)取切入风速时最大输出功率，切入风速时，k=0，即Pm(k)=Pm(0)=5.0W；λsetPd(k)为调整系数，取值为1，之后可根据Pm(k)大小作适当调整；ηmppt为预期目标达到的最大功率跟踪效率，取值为70%，则通过公式⑤得出：setPd(0)=1.5W；
所述最小转速调节门限setSd为：引起转速变化的一个判定阈值，取值为0；若前后两次转速测量值大于该值，则判定为本次调节引起风机转速变化；否则，判定为本次调节没有引起风机转速变化；
所述初始步长Step(0)为：风机在切入风速时能够引起转速变化的最小占空比的值；
所述调整频率f(0)为：在切入风速下，最大跟踪功率输出稳定后，占空比再增加Step(0)扰动时，首次转速达到最小占空比值Step(0)引起的转速变化量时所需的采样次数，此次数即为在该风速下的调整频率；
步骤2：对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样，并对采样所得的电压U(k)、电流I(k)以及频率f(k)值进行滤波处理，输出功率P(k)通过公式⑥获得：
P(k)=U(k)×I(k) ⑥；
所述风机转速ω(k)通过公式⑦获得：
ω(k)=60×f0(k)/p ⑦，
其中p为电机旋转磁场的极对数，取值为10；
之后执行步骤3；
步骤3：判断风机转速ω(k)的高低，若处于高转速时，则执行步骤4；否则，按照动态间隔吸收功率策略进行；之后执行步骤10；
其中，所述风机转速ω(k)的高低判断方法为：让软件核心算法对风机进行最大功率跟踪，在风机切入风速稳定跟踪后，记录此时风机的转速ω1，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，观察是否能输出额定功率，若能，此时ω1就是风机的转速高低判断门限值；若不能，则在前一风速上增加Δv，跟踪稳定后，记录此时风机的转速ωn，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，若不能输出额定功率，则继续增加风速重复测试，快速调节风洞风速至风机额定风速，直至风机再次稳定跟踪后恰好能输出额定功率，对应之前跟踪稳定时风机的转速ωn就是风机的转速高低判断门限值；当风机的转速小于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速低；当风机的转速大于或等于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速高；具体做法是：该风机的切入风速为3.0m/s，额定风速为10.0m/s，Δv取值为额定风速与切入风速之差的0.071倍，即Δv=0.071×(10-3)=0.5m/s；当ω1=3.0m/s时，在64RPM下可输出该风速下的最大功率；当ω2=3.5m/s时，在80RPM下可输出该风速下的最大功率；当ω1=3.0m/s时，风机稳定跟踪后，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，在额定风速下不能输出额定功率；继续增加风速Δv重复测试，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，恰好能输出额定风速下的额定功率，因此，80RPM为风机的转速高低判断门限值；
所述动态间隔吸收功率策略至少包括一个动态间隔吸收功率过程，所述动态间隔吸收功率过程为：在T时间内，先在T1时段进行最大功率跟踪，在T2时段释放风机使得风机的转速回升，其中，T满足公式④：
T=T1+T2 ④，
其中，所述动态间隔吸收功率过程中：在切入风速下，最大功率跟踪稳定后，快速调节风洞风速至额定风速，此时风机失速运行或甚至停止转动，将风机空载，当风机转速上升至高低转速判断门限值时的时间即为T2，T1为T2的8倍，即：T2=15s，T1=8×T2=120s，则T=T1+T2=135s；
步骤4：判断调整频率f(k)是否满足调整频率公式①：
f(k)=f|Δω(k)|≤f|ω(k)-ω(k-1)|≥setSd ①，
若满足，则执行步骤5；否则，执行步骤10；
步骤5：判断风机的转速ω(k-1)与ω(k)是否相同，若相同，执行步骤6；否则，则保存ω(k)的数值至ω(k-1)中，即保存本次转速值于前一次转速值变量中，之后执行步骤7；
步骤6：判断风机的转速连续N次是否有变化，N取值为3，若无变化，执行步骤7；否则，执行步骤10；
步骤7：采用线性插值计算公式计算出最大输出功率Pm(k)，最大输出功率Pm(k)通过功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1,2,…,n；采用线性插值法的公式⑧获得：
Pm(ω)=Pm(ωi-1)+[(ω-ωi-1)/(ωi-ωi-1)]×(Pm(ωi)-Pm(ωi-1)) ⑧，
具体为：根据功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1，2，…，n；对转速ω进行采样ω=ω(k)，当转速ω满足∣ω-ωi-1∣≤ε，则Pm(ω)满足公式Pm(ω)=Pm(ωi-1)；当转速ω满足∣ω-ωi∣≤ε时，则Pm(ω)满足公式Pm(ω)=Pm(ωi)；当ωi-1+ε<ω<ωi-ε时，Pm(ω)满足公式⑧；其中ε为一个很小的正数，取值为0.1；
设定停止功率跟踪门限setPd(k)、调整频率f(k)以及步长Step(k)，之后执行步骤8；
其中，所述步长Step(k)的值如下确定：当|P(k)-Pm(k)|>setPd(k)时，Step(k)满足公式⑨：
Step(k)=KStep(k)·|P(k)-Pm(k)|≤Dadj ⑨，
其中KStep(k)是调整步长的系数，KStep(k)>0，可根据具体风机特性进行整定；Dadj为软件设定的最大调调整步长值，取硬件最大可调整占空比的0.05倍；
当|P(k)-Pm(k)|≤setPd(k)时，Step(k)取值为0；
所述停止功率跟踪门限setPd(k)根据公式⑤获得；
所述调整频率f(k)根据公式①获得，具体为：
当P(k)<80W时：setPd(k)=2.5W；f(k)=2；（1）当|P(k)-Pm(k)|≤2.5W时，Step(k)=0；（2）当2.5W<|P(k)-Pm(k)|≤10W时，Step(k)=KStep(k)=5；（3）当10W<|P(k)-Pm(k)|≤20W时，Step(k)=KStep(k)=10；（4）当|P(k)-Pm(k)|>20W时，Step(k)=KStep(k)=15；
当P(k)≥80W时：setPd(k)=3.0W；f(k)=1；（1）当|P(k)-Pm(k)|≤3.0W时，Step(k)=0；（2）当|P(k)-Pm(k)|>3.0W时，Step(k)=KStep(k)=1；
硬件最大可调整占空比为400，则取Dadj=0.05×400=20；
步骤8：比较实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式②：
P(k)-Pm(k)<-setPd(k) ②，
则实际功率点处于最大功率点的右侧，增加占空比，占空比的增量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，执行步骤9；
步骤9：实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式③：
P(k)-Pm(k)>setPd(k) ③，
则实际功率点处于最大功率点左侧，减小占空比，占空比的减小量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，标志已找到最大功率点，执行步骤10；
步骤10：令k=k+1，并返回步骤2。
若本发明方法是在BUCK-BOOST电路拓扑上实施的，增加或减小工作于对应BUCK或BOOST电路拓扑时的占空比，其中对应BUCK电路拓扑时：占空比的增加用PwmBuckVal+表示，占空比的减小用PwmBuckVal-表示；其中对应BOOST电路拓扑时：占空比的增加用PwmBoostVal+表示，占空比的减小用PwmBoostVal-表示。
采用以上方法所获得的跟踪曲线如图2所示，从图2中可以看出：实际跟踪功率曲线Mppt与实际最大功率曲线Mpp具有很高的吻合度。可采用最大功率跟踪效率的计算式进行衡量，测试平均最大功率跟踪效率不低于90%，其中，最大功率跟踪效率的计算式为：最大功率跟踪效率=软件跟踪效率×硬件电路效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：初始化，获取风机的初始转速ω(0)，设定停止功率跟踪门限setPd(0)、调整频率f(0)、初始步长Step(0)、最小转速调节门限setSd以及动态间隔不同时段时长T；
步骤2：对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样，根据电压U(k)以及电流I(k)计算第k次跟踪时所输出的实际功率P(k)，根据频率f0(k)计算风机的转速ω(k)，k大于等于1；之后执行步骤3；
步骤3：判断风机的转速ω(k)的高低，若处于高转速时，则执行步骤4；否则，按照动态间隔吸收功率策略进行，之后执行步骤10；
步骤4：判断调整频率f(k)是否满足调整频率公式①：
f(k)=f|Δω(k)|≤f|ω(k)-ω(k-1)|≥setSd ①，
若满足，则执行步骤5；否则，执行步骤10；
步骤5：判断风机的转速ω(k-1)与ω(k)是否相同，若相同，执行步骤6；否则，则保存ω(k)的数值至ω(k-1)中，之后执行步骤7；
步骤6：判断风机的转速连续N次是否有变化，N大于等于2且小于等于100，若无变化，执行步骤7；否则，执行步骤10；
步骤7：采用线性插值计算公式计算出最大输出功率Pm(k)；设定停止功率跟踪门限setPd(k)、调整频率f(k)以及步长Step(k)，之后执行步骤8；
步骤8：比较实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式②：
P(k)-Pm(k)<-setPd(k) ②，
则实际功率点处于最大功率点的右侧，增加占空比，占空比的增量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，执行步骤9；
步骤9：比较实际输出功率P(k)与最大输出功率Pm(k)两者之间的关系，若满足公式③：
P(k)-Pm(k)>setPd(k) ③，
则实际功率点处于最大功率点左侧，减小占空比，占空比的减小量为Step(k)的数值大小，之后执行步骤10；否则，标志已找到最大功率点，执行步骤10；
步骤10：令k=k+1，并返回步骤2；
其中，所述动态间隔吸收功率策略至少包括一个动态间隔吸收功率过程，所述动态间隔吸收功率过程为：在T时间内，先在T1时段进行最大功率跟踪，接着在T2时段释放风机使得风机的转速回升，其中，T满足公式④：
T=T1+T2 ④。
2.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤1中：
所述停止功率跟踪门限setPd(0)按照公式⑤获得：
setPd(k)=λsetPd(k)·Pm(k)·(1－ηmppt) ⑤，
其中，Pm(k)取切入风速时最大输出功率，切入风速时，k=0；λsetPd(k)为调整系数，取值范围为(0,1]；ηmppt为预期目标达到的最大功率跟踪效率；
所述最小转速调节门限setSd为：引起转速变化的一个判定阈值，取值范围为风机的额定转速的0-0.1倍；若前后两次转速测量值大于该值，则判定为本次调节引起风机转速变化；否则，判定为本次调节没有引起风机转速变化；
所述初始步长Step(0)为：风机在切入风速时引起转速变化的最小占空比的值；
所述调整频率f(0)为：在切入风速下，最大跟踪功率输出稳定后，占空比再增加Step(0)扰动时，首次转速达到最小占空比值Step(0)引起的转速变化量时所需的采样次数，此次数即为在该风速下的调整频率。
3.根据权利要求2所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述最小转速调节门限setSd为0。
4.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述动态间隔吸收功率过程中：在切入风速下，最大功率跟踪稳定后，快速调节风洞风速至额定风速，此时风机失速运行或甚至停止转动，将风机空载，当风机转速上升至高低转速判断门限值时的时间即为T2，T1为T2的2-50倍。
5.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤2中的输出功率P(k)通过公式⑥获得：
P(k)=U(k)×I(k) ⑥；
所述风机的转速ω(k)通过公式⑦获得：
ω(k)=60×f0(k)/p ⑦，
其中p为电机旋转磁场的极对数。
6.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤3中判断风机的转速ω(k)高低的方法：对风机进行最大功率跟踪，在风机切入风速稳定跟踪后，记录此时风机的转速ω1，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，观察是否能输出额定功率，若能，此时ω1就是风机的转速高低判断门限值；若不能，则在前一风速上增加Δv，跟踪稳定后，记录此时风机的转速ωn，快速调节风洞风速至风机额定风速，风机再次稳定跟踪后，若不能输出额定功率，则继续增加风速重复测试，快速调节风洞风速至风机额定风速，直至风机再次稳定跟踪后恰好能输出额定功率，对应之前跟踪稳定时风机的转速ωn就是风机的转速高低判断门限值；当风机的转速小于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速低；当风机的转速大于或等于风机的转速高低判断门限值时，则判定为风机的转速高；Δv取值范围为额定风速与切入风速之差的0.01-0.2倍。
7.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤7中最大输出功率Pm(k)通过功率-转速曲线上的n对测试值（ωi，Pi），i=1,2,…,n；采用线性插值法的公式⑧获得：
Pm(ω)=Pm(ωi-1)+[(ω-ωi-1)/(ωi-ωi-1)]×(Pm(ωi)-Pm(ωi-1)) ⑧
8.根据权利要求1所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤7中步长Step(k)的值如下确定：当|P(k)-Pm(k)|>setPd(k)时，Step(k)满足公式⑨：
Step(k)=KStep(k)·|P(k)-Pm(k)|≤Dadj ⑨，
其中KStep(k)是调整步长的系数，KStep(k)>0；Dadj为软件设定的最大调整步长值，取值范围为硬件最大可调整占空比的0-0.05倍；
当|P(k)-Pm(k)|≤setPd(k)时，Step(k)取值为0；
所述停止功率跟踪门限setPd(k)根据公式⑤获得；
所述调整频率f(k)根据公式①获得。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于风力发电的最大功率跟踪控制的方法，其特征在于：所述步骤2中对电压U(k)、电流I(k)以及频率f0(k)进行采样所获得的值经过滤波处理。
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