摘要：针对目前变速风力发电机组****功率点跟踪算法对机组参数依赖性较大的问题，提出了一种用于****功率点跟踪的动态功率曲线控制策略。根据机组当前的运行特性来渊节功率曲线的比例系数，实现对****功率点的跟踪控制。该算法的优点是对机组的参数依赖性较小，即使在转速测量有误差的情况下也可以实现机组对****功率点的跟踪控制。在Matlab／simulink的平台上，采用模糊控制技术设计了MPPT的动态功率曲线控制系统，仿真结果证明了动态功率曲线控制策略的正确性和可行性。
    关键词：风力发电机组；****功率点跟踪；功率曲线；模糊控制
1  引言
变速运行的风力发电机组其转速町以随着风速的变化而变化，因而能够****限度地捕获风能，拥有恒速风力发电机组所不具备的对****功率点跟踪的能力。
    在额定风速以下如何****化风能的利用率，即对****功率点的跟踪(MPPT)控制是变速运行风电机组的主要任务之一。目前关于****功率点跟踪的问题已经提出了很多控制算法，如：叶尖速比法通过调节机组转速将叶尖速比维持在一个****值上，但是需要预先知道****叶尖速比值和测量风速，从而增加了成本以及算法实际执行的难度，同时控制精度难以保证；功率信号反馈法(功率曲线法)需要预先得到机组的****功率曲线，从而增加了算法实际执行的难度，同时随着使用年限的增加，机组特性的变化，控制精度也难以保证；登山搜索法(HCS)在风速不变的情况下控制效果较好，但是在风速有波动的情况下无法对系统进行有效的控制。3种比较法虽然简单，易于操作，但是在随机风速下会给取点带来误差，引起误操作．给实际工作带来了困难。    针对上述情况，本文提出了一种基于模糊控制理论的MPPT动态功率曲线控制策略，在整个控制过程中，控制系统根据机组的实际运行状态点与****功率点之问的位置关系和相应的变化趋势来调节功率曲线的系数，以达到对机组****功率点跟踪控制的目的。该控制策略的优点是：对机组的参数依赖性较小，可移植性强，在外界气温变化和机组参数老化以及机组转速测量出现偏差的情况下，都可以自动跟踪到相应风速的****功率点上，实现机组****功率点的跟踪控制。
    2  ****功率点功率曲线控制原理
处于额定风速以下(桨距角为O。时)的风力发电机组机械功率与风轮转速以及****功率曲线的关系曲线如图l所示。
    在不同的风速下都有一个****转速值使得风力发电机组捕获的机械功率达到****值，即当风力发电机组的风轮转速为该特定值机组捕获到的****风能。不同风速下的****功率点的连线即为****功率曲线，因此必须控制风轮转速以保证风力发电机组始终运行在****转速点．或者在风速变化的情况下处于对****转速点的跟踪状态，以实现风力发电机组的****功率点跟踪控制的目的。
    风电机组机械功率与风速的关系式：
    式巾：P。为机组的机械功率；p为空气密度；c。为风能利用系数；A为风轮的旋转扫风面积；vwind为当前风速；λ为叶尖速比；ω为风轮转速(此处用角速度表示)；R为风轮半径；k为比例系数(是机械功率除以转速3次方的值)。
    理想情况下，不同风速下的****功率点组成的曲线(称为****功率曲线)与风轮转速近似成3次方的关系。
    对于]台风力发电机组来说，有一条比例系数k固定不变的****功率曲线，如图l所示。
    实际运行的机组一般采用这种固定的功率曲线或者等价的转速与功率(或者转矩)查找表来控制机组的转速即根据当前机组的转速通过功率曲线或者查找表得出机组功率的给定值，用来控制机组的输出功率。当实际机组的功率大于此给定值时，机组就会自动加速，小于此给定值时，机组就会自动减速，从而实现机组****功率点的跟踪控制。但是根据图l中的****功率曲线与不同风速下的功率曲线的关系，可以看出实际运行状态点越接近****功率点，机组的给定功率与实际功率的误差就越小，对****功率点的跟踪速度就会变慢。同时当外界的气温变化，以及随着使用年限的增加，机组的参数出现变化时，这种控制方式无法做出有效的响应，所以难以保证机组始终具有****功率点跟踪的能力。
    因此，本文提出了机组****功率点的动态功率曲线跟踪策略，以解决上述问题。
    3  ****功率点动态功率曲线跟踪策略
动态功率曲线跟踪策略：首先构造一条功率曲线，功率与转速的关系如式(3)所示，然后根据机组的运行状态点与****功率点的位置关系和变化趋势来调节式(3)中的比例系数k；测量出当前机组的转速，然后通过功率曲线得出对应于此转速的机械功率值，并作为机组的机械功率的给定值用来控制机组的转速，实现对****功率点的跟踪控制。
    其中，比例系数^的初始值设定尽量靠近****功率曲线的系数以减小系统的初始调节时间，因为比例系数^基本在****功率曲线的系数附近变化。由于比例系数^在控制过程中是变化的，所以功率曲线是动态的。
    由图2可以看出，比例系数k的值越大，功率曲线的交点对应的转速就越小；比例系数k的值越小，功率曲线的交点对应的转速就越大；因此，通过改变比例系数^值的大小就可以调节实际机组机械功率与给定功率之间的误差值的大小，从而可以对机组跟踪****功率点的速度进行控制，即误差值越大，跟踪速度越快。    对比例系数k值的调节具体步骤如下。
    首先求出机组机械功率对转速的导数dp／dω和转速对时间的导数dw／dt，然后根据两者之间的关系判断机组实际运行状态点的变化趋势，并对比例系数^值进行相应的调节。
    1)当dP。／dω>0且dω／dt<0，机组实际运行状态点在****功率点的左侧，且随着时间的增加，转速逐渐减小，此时，机组有偏离****功率点的变化趋势，如图2的①所示。为了实现对机组****功率点跟踪的目的，需要增加机组的转速，以改变实际运行状态点偏离****功率点的变化趋势；因此，通过降低比例系数k，增加机组的给定功率与实际功率的差值，以改变实际运行状态点的变化趋势，使其向****功率点靠近。
    2)当dP／dω>O且dω／dt>0，机组实际运行状态点在****功率点的左侧，且随着时间的增加，转速逐渐增大，此时，机组有靠近****功率点的变化趋势，如图2的②所示。可以进一步增加转速使机组的实际运行状态点向****功率点靠近。因此，通过降低比例系数k，增加机组的给定功率与实际功率的差值，以提高实际运行状态点向****功率点靠近的速度。
    3)当dP／dω    4)当dP／dωO，机组实际运行状态点在****功率点的右侧，且随着时间的增加，转速逐渐增加，此时，机组有偏离****功率点的运行趋势，如图2的④所示。为了实现对机组****功率点跟踪的目的，需要增加机组的转速，以改变实际运行状态点偏离****功率点的变化趋势：因此，通过升高比例系数k，增加机组的给定功率与实际功率的差值，以改变实际运行状态点的变化趋势，使其向****功率点靠近。
    4****功率点动态功率曲线模糊控制方案的设计
上文提出的****功率点的动态功率曲线跟踪策略，具有强非线性特性。而近代控制理论中的模糊控制技术在处理非线性和控制具有高度不确定性的复杂系统时有着突出的优越性。因此本文选用了模糊控制技术来设计上文提出的****功率点的跟踪控制方案。
    模糊控制器根据机械功率对转速的导数dP／dω和转速对时间的导数dω／dt的大小判断机组的实际运行状态并对比例系数^进行增量式修改，即控制的输出通过一个积分环节．作为偏移是加到比例系数^上。
    设计的模糊控制器为二输入一输出型．输入分别为dP／dω和dω／dt，输出为增量△k。
    为了方便起见，输入都采用论域为[6，6]的三角形隶属函数，输出采用论域为[4，4]的三角形隶属函数。
    模糊子集的设计如下。    模糊推理采用Mamdan，极小运算法，合成方式采用极大极小运算。输出采用重心法解模糊。
    输入量需要乘以相应的输入量化因子，以调节控制器对输入量的敏感度。输入量化因子选得越大，系统对输入量的敏感度就越高，映射到输入论域“零”的实际输入量范围就越小，输入量的控制作用就越大；但会导致超调量的增加及过渡过程的延长。因此输入量化因子的大小对系统动态性能影响很大，需要根据系统的特性作出适当的选择。
    输出量需要乘以相应的输出最化因子，以调节输出量对系统的影响程度。输出量化因子如果选得大，功率曲线变化速度快，选得小，功率曲线变化速度就慢，具体值可根据所要求的功率曲线变化速度来定。
    5仿真结果
根据上述没计了模糊控制方案，应用Matlab仿真软件构建变速运行风力发电机组仿真系统。
    其中转速和机械功率都采用r标幺值的表示方式(机组的额定功率为1 5 MW，同步转速为1 800r／min)。按照图1的转速与机械功率的关系设计机组的功率特性，即风速3m／s至12m／s的****功率点所对应的****转速分别是O．4，O．5，O．6，0．7，0．8，O．9，1，1．1。
    仿真系统中，机组的初始转速设为1(标幺值)：功率曲线的比例系数k初始值设为O．094 6；对于输入信号dP。／dω，选择量化因子为30，即将dP。／dm    (zO)；对于输入信号dω／出，选择量化因子为1，即将dω／dt<3的区域映射为模糊论域的“零”
    (ZO)；对于输出信号△k，选择量化因子为O．0001．5．1机组转速测量出现偏差时的跟踪情况风速初始值为8 m／s，在150 s时跃变为1 0m／s。
    图3中的曲线①②③分别是测量转速的偏差为O(标幺值)，+O.02(标幺值)，一O．02(标幺值)时，动态功率曲线比例系数的变化情况，网4中的曲线①②③分别是3种情况下机组对****功率点跟踪的转速波形图。
    根据动态功率曲线控制原理_|_知：在风速一定时，若****转速为ω1，相应的****功率点的功率值为p1，相应的比例系数为k1，由式(3)可知：
    当测量的转速出现偏差时，即实际机组****转速为∞。，而测量转速为ω1+△ω时，机组要跟踪到****功率点，功率曲线的比例系数必须为k=P1／(ω1+△ω)。，因此，当△ω>O时，k将会偏小；△ω    由图3的曲线①②可以看出，测量转速偏差为正(如o 02标幺值)时，相应功率曲线的比例系数在****功率点处的值要小于测量转速无偏差时比例系数的值；由图3的曲线①③可以看出，测量转速偏差为负(如O．02标幺值)时，相应功率曲线的比例系数在****功率点处的值要大于测量转速无偏差时比例系数的值。仿真结果符合MPPT动态功率率线控制的理论分析。
    由图4可以看出，在测量转速出现偏差的情况下，动态功率曲线控制策略可以控制机组跟踪到相应的****转速上．而且不受转速测量偏差的影响。
    5．2风速存在随机波动时的跟踪情况风速的初始值为6 m／s，在600 s时跃变为8m／s；且叠加有±2 m／s随机波动风速(随机波动刚间间隔为O．5 s)。
    图5和图6分别是相应的机组转速和比例系数^的变化波形。可以看出，在随机波动的风速F，机组的转速和比例系数k基本稳定在相应的基准值上。因此，动态功率曲线控制策略在风速出现随机波动的情况下，可以跟踪到基频风速的****功率点。
    6  结论
本文提出的****功率点动态功率曲线控制策略对机组的特性依赖性小，在跟踪过程中不需要测量风速，且在转速测量出现偏差的情况下，可以实现对****功率点的跟踪控制，在风速出现随机波动的情况下．可以跟踪到基频风速的****功率点。上述的仿真结果证明了本控制策略的正确性和有效性。

中国步进电机网（www.b-motor.com）