基于TSR和PSO的风能转换系统MPPT算法的比较

k . Maheswari¹, T.Porselvi²

Sri Sairam工程学院EEE系P.G学者，金奈，印度
2 .印度钦奈市斯里·萨拉姆工程学院电子工程学院助理教授

摘要

由于不可预测风速的性质，确定最佳发电机转速以在任何风速下提取最大可用风力是至关重要的。因此，无论风速如何，都可以跟踪最大峰值的智能控制器是非常重要的。本课题描述了基于叶尖速比(TSR)的变速定桨风力机最大功率点跟踪(MPPT)算法的设计与开发。该算法不需要额外的传感器，只需要最大限度地提高功率。此外，MPPT算法不需要任何风能系统的先验知识。总之，本文提出的最大功率跟踪方法简单、灵活、准确、高效。本文利用MATLAB/ Simulink仿真包对所提出的MPPT算法进行了性能仿真。

关键字

高效，智能控制器，最大功率点跟踪尖端速比(TSR)

介绍

风力发电于1891年首次出现在丹麦，并经历了非常缓慢的发展，直到1974年在第一次石油危机后成为可再生能源的重要候选。美国风力发电项目受到卡特总统新能源政策的推动，导致加州风力发电场的建立，数以千计的旋转风力发电机产生电网质量的电力。1986年发生在乌克兰切尔诺贝利核电站的严重事故，导致几乎每个国家都普遍停止扩建或取消新的核电站，从而开创了核电减少的趋势。环境意识也提高了，由于大气中二氧化碳浓度增加而产生的温室效应或全球变暖引起了国际社会的广泛关注，在联合国的主持下成立了国际气候变化专门委员会(IPCC)，对这一现象进行科学研究，并提出补救措施。国际政府采取了从传统污染技术向清洁技术转变的政策，能源专家主张太阳能是理想的改变。总的风能，特别是风力发电，由于持续增长和作为公认的能源列入国家能源规划的地位，终于得到应有的重视。随着技术的进步，风力发电的成本也有所下降。可再生能源的最大可提取功率不仅取决于源的强度，还取决于能量转换系统的工作点。因此，最大功率点跟踪(MPPT)在可再生能源转换系统中具有至关重要的意义，它不仅可以最大限度地提高系统的效率，而且可以使安装成本的回收期最小化。在风能转换系统(WECS)中，MPPT的概念是相对于风力涡轮机拦截的风速优化发电机转速，从而使功率最大化。 Every year numerous research efforts are attempted to achieve better and faster techniques on MPPT in WECS. One of the commercially employed lookup table MPPT is the TSR control which additionally requires an anemometer for the wind speed measurement and also pre-known value of the optimal tip speed ratio to convert the wind velocity measurement into its corresponding reference for optimal generator speed. The TSR control technique can provide the fastest control action as it directly measures the wind speed and sets the control reference instantaneously; hence it is expected to yield more energy. However the accurate wind measurement is not a trivial task especially in case of large size wind turbines. As anemometer provides limited measurements of wind speed only at the hub height and cannot cover for the whole span of large blades. Moreover, due to the interaction between the rotor and the wind, this usual placement of anemometers on nacelles leads to inaccurate wind speed measurements in both upwind and downwind turbines. In other words the wind speed measured by the anemometer may not be the one intercepted by the wind turbine. Plus the additional requirement of a wind speed sensor makes TSR control more costly than PSF.

A.风能转换系统介绍

风力涡轮机系统的主要部件如图1所示，包括涡轮机转子、齿轮箱、发电机、电力电子系统和用于电网连接的变压器。风力涡轮机通过涡轮叶片收集风力，并将其转化为机械能。重要的是能够控制和限制转换的机械功率在较高的风速。功率限制可以通过失速控制、主动失速或俯仰控制来实现。将低速、高扭矩的机械动力转换为电力的常用方法是使用变速箱和标准速度的发电机。齿轮箱可以使涡轮机转子的低速适应发电机的高速，但对于多极发电机系统可能不需要齿轮箱。发电机将机械能转换成电能，电能可能通过电力电子转换器和带有断路器和电表的变压器输入电网。风力涡轮机中使用的两种最常见的电机类型是感应发电机和同步发电机。

同步发电机由外部施加的磁铁或永磁体(pm)激励。有相当大的兴趣在应用多极同步发电机(无论是与PM励磁或与电磁铁)驱动的风力涡轮机转子没有齿轮箱或低比齿轮箱。由风力涡轮机驱动的同步机器可能不会直接连接到交流电网，因为在传动系统中需要显著的阻尼。异步发电机的使用导致了对全额定功率电子转换系统的要求，以使发电机与网络解耦。风力发电机组电气保护系统是对风力发电机组的保护，也是电网安全运行的保障。

建议系统的系统流程

该系统由Boost转换器、整流器、风输入、电感、滤波器、脉冲发生器和负载组成。首先，主要风力涡轮机轴由PMSG连接，PMSG通过整流器将交流电源风力转换为直流电源来驱动发电机。可再生能源输出始终具有较低的功率，范围为20-25 rpm，以根据我们的负载需求提高功率，一个具有高功率的直流输出用于驱动负载，其中负载可以是交流或直流，根据客户的需要。

仿真结果与讨论

在模拟回路中，风力机叶片通过机械轴捕获风能，将风能转化为机械能。永磁同步发电机用于将机械能转换为电能，并将电能交流给无控整流器，将交流电源转换为直流电源。正偏置二极管串联连接，以避免输出电源反馈到输入源。直流升压变换器用于产生最大通时脉冲，以消除PWM转换中的误差。为了在MPPT控制器中提供最优的TSR值，采用俯仰角对特定方向的风叶进行定位，无论风速大小，都能提取最大功率。俯仰角值需要转换为弧度。matlab函数的输入基本上需要三个参数，使用的参数是俯仰角(以弧度表示)，TSR值和恒定增益。在matlab中进行m文件编码，生成TSR值，作为MPPT控制器TSR值的输入，给出风电压和电流作为输入参数。MPPT控制器的输出通过改变PWM的占空比产生连续变化的脉宽值。如果输出脉冲范围在0和2之间，脉冲在这个频率之间变化。为了将得到的信号转换成脉冲，采用了中继器序列，该中继器序列只是一个剪切器或夹钳电路来产生脉冲，因此直流升压变换器产生的脉冲经过LC滤波器滤波，以产生无纹波输出电压和电流。

在该方法中，以1:6的比例从风中提取输出，因此在模拟应用风电压时，升压变换器产生的输出电压比输入电压高6倍。

在上面的结果中，得到了风压模拟，并绘制了风压与时间段之间的关系，得到了三相输入时-15 ~ +15范围内的风速图。图2为风电压，升压电压在60v范围内产生，升压电压是风输入电压的6倍。在图3中，升压输出脉冲在值0和2之间得到。根据升压变换器的on开关时间，可以产生最大的存储输出。

结论

在风能系统中包含MPPT算法是必要的，因为风速的变化是瞬时的和不可预测的。在本项目中，基于叶尖速比(TSR)的MPPT算法成功应用于控制风力机与负载接口的升压变换器的占空比，从而保证了从风力中提取最大可用功率。由于该算法既不需要能源系统的先验知识，也不需要机械传感器的先验知识，因此算法简单、独立、灵活。

未来的增强

因此，在不久的将来，我想通过改变搜索空间中的参数或无参数PSO来扩展我的项目，开发基于无参数PSO的MPPT算法和基于细菌觅食优化的MPPT算法。通过对上述两种方法的比较，可以进行性能分析。

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

参考文献

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