具有能量预测功能的最大功率跟踪型风力发电装置及方法 【技术领域】
本发明涉及一种具有能量预测功能的最大功率跟踪型风力发电装置及方法，属于离网型风力发电能量变换领域。
背景技术
目前广泛采用的小功率风力发电装置的发电方法，对蓄电池均采用不控整流的方法进行充电。存在的主要问题表现在：发电机起动风速较低，系统充电性能不稳定，并且只有在发电机的线电压峰值大于蓄电池的直流电压时，才能表现出充电特性，在较低的风速下，蓄电池无法充电；同时又存在充电电流畸变，谐波含量较高的缺陷。
另一方面，现有小功率风力发电装置采用的发电方法，均采用有尾舵工作，在机械结构转动惯量较大时，它对较低的风速根本无法实现最大的风能捕获；在较大风速和蓄电池已充满电时，又易出现机械结构受损和蓄电池过电压损坏的现象。系统表现为：频繁的突加和突减负载，产生振荡。
由于现有小功率风力发电装置的机械惯量存在，使得采用的方法对于系统的控制均滞后，无法实现对蓄电池充电电流的预测和控制。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有能量预测功能的最大功率跟踪型风力发电装置及方法，它解决了现有小功率风力发电装置及发电方法中，由于对系统的控制滞后，而无法实现对蓄电池充电电流的预测和控制的问题。
本发明的装置包括桨叶、低速永磁同步发电机、PWM整流充电功率模块、电能存储模块、主控制器模块、电流检测模块、母线电压检测模块、机械制动器、制动信号模块、偏航信号发生模块、发电机转速检测模块、风速风向差分接收模块、偏航步进电机和风速风向仪；其中：
桨叶与低速永磁同步发电机同轴连接，采用PWM整流充电功率模块将低速永磁同步发电机输出的电压和电流进行整流后，输出给电能存储模块进行充电；
电流检测模块采集低速永磁同步发电机中两相绕组的电流和电能存储模块的充电电流，并将采集到的电流信号输出给主控制器模块；
母线电压检测模块采集电能存储模块的输入母线电压，并将采集到的母线电压信号输出给主控制器模块；
发电机转速检测模块采集低速永磁同步发电机的转速，并将采集到的转速信号输出给主控制器模块；
风速风向仪采集环境风速和风向信号，并将采集到的风速和风向信号发送给风速风向差分接收模块，风速风向差分接收模块再将处理后的风速和风向信号输出给主控制器模块；
主控制器模块的偏航信号输出给偏航信号发生模块，由偏航信号发生模块控制偏航步进电机对桨叶的朝向进行控制；
主控制器模块的制动信号输出给制动信号模块，再由制动信号模块控制机械制动器对低速永磁同步发电机的输入轴进行制动。
本发明所述的基于上述装置的发电方法的过程为：
步骤一、主控制器模块根据母线电压检测模块采集到的电压信号判断电能存储模块是否已充满电，若是，执行步骤八；若否，执行步骤二；
步骤二：主控制器模块将接收到的风速信号与预设置的桨叶的最大风速相比较，当所述风速信号低于最大风速时，执行步骤三；
当所述风速信号等于最大风速时，执行步骤四；
当所述风速信号高于最大风速时，执行步骤五；
步骤三：主控制器模块根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块，偏航信号发生模块根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机，由偏航步进电机控制桨叶旋转，调整桨叶的迎风面朝向，执行自动对风；然后执行步骤六；
步骤四：主控制器模块根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块，偏航信号发生模块根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机，由偏航步进电机控制桨叶旋转，调整桨叶的迎风面朝向，执行自动侧风；然后执行步骤六；
步骤五：主控制器模块根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块，偏航信号发生模块根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机，由偏航步进电机控制桨叶旋转，调整桨叶的迎风面朝向，执行度侧风；然后执行步骤六；
步骤六：主控制器模块根据输入的风速和风向信号，预测低速永磁同步发电机在输出预测最大机械功率时对应的预测最大转速，并调整低速永磁同步发电机的实际转速为所述预测最大转速，实现最大功率的跟踪；然后执行步骤七；
步骤七：计算低速永磁同步发电机的占空比系数，进而得到低速永磁同步发电机的三相电枢绕组中的三相电流的占空比、、，再根据、、控制PWM整流充电功率模块中三个整流桥的通断，实现低速永磁同步发电机的单位功率因数地输出；然后再执行步骤一；
步骤八：主控制器模块发送制动指令给制动信号模块，制动信号模块控制机械制动器对低速永磁同步发电机的输入轴制动，停止发电。
本发明的优点是：本发明具有能量预测和最大功率跟踪功能，且能够实现发电机的准单位功率因数输出，提高了发电效率。本发明采用高性能的主控制器模块，通过实时监测发电机的运行过程，有效解决了现有风力发电产品控制策略简单、启动风速高、安全性不好和带尾舵运行等问题，实现了在风速和能量之间最为合理的加载方式。本发明采用能量预测控制结合扰动控制法，在取能过程中，实现了风能的合理利用，实现了发电机电流正弦输出，减小了发电机本身的谐波和损耗，提高了功率因数和效率。本发明采用偏航系统和风速风向检测，解决了无尾舵运行的机械风能追踪问题，合理完善了对风、偏航侧风的复杂逻辑，追求了效率和功能的完整性。本发明的发电装置及发电方法能够有效保证稳定运行和安全，能够真正实现无人值守，代表了目前小型风力发电装置的先进技术水平，具有显著的经济和社会效益。
【附图说明】
图1为本发明装置的原理示意图；图2为PWM整流充电功率模块的原理框图；图3为实现低速永磁同步发电机最大功率输出和最佳负载的追踪过程的流程图；图4为低速永磁同步发电机的最大输出机械功率与预测最大转速的特性曲线图，图中虚线所表示的风速v1<v2<v3<v4<v5；图5为实施方式二中预测低速永磁同步发电机的预测最大转速时,采用的登山搜索法结合查表法的原理示意图；图6为实施方式二中预测低速永磁同步发电机的预测最大转速时，采用登山搜索法获得的曲线图，图中纵坐标为低速永磁同步发电机2的输出预测最大机械功率，横坐标为低速永磁同步发电机2的预测最大转速；图7为实施方式二中采用插值法估算低速永磁同步发电机的预测最大转速获得的曲线图，图中纵坐标为低速永磁同步发电机2的预测最大转速，横坐标为风速风向仪14采集获得的环境风速；图8为实施方式二中对低速永磁同步发电机所能捕获的风能进行计算的曲线示意图，图中纵坐标为低速永磁同步发电机捕获的能量，横坐标为时间；图9为低速永磁同步发电机及其等效负载的等效模型图；图10为实施方式二中PWM整流充电功率模块3的工作流程图；图11为本发明方法的流程图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括桨叶1、低速永磁同步发电机2、PWM整流充电功率模块3、电能存储模块4、主控制器模块5、电流检测模块6、母线电压检测模块7、机械制动器8、制动信号模块9、偏航信号发生模块10、发电机转速检测模块11、风速风向差分接收模块12、偏航步进电机13和风速风向仪14；其中：
桨叶1与低速永磁同步发电机2同轴连接，采用PWM整流充电功率模块3将低速永磁同步发电机2输出的电压和电流进行整流后，输出给电能存储模块4进行充电；
电流检测模块6采集低速永磁同步发电机2中两相绕组的电流和电能存储模块4的充电电流，并将采集到的电流信号输出给主控制器模块5；
母线电压检测模块7采集电能存储模块4的输入母线电压，并将采集到的母线电压信号输出给主控制器模块5；
发电机转速检测模块11采集低速永磁同步发电机2的转速，并将采集到的转速信号输出给主控制器模块5；
风速风向仪14采集环境风速和风向信号，并将采集到的风速和风向信号发送给风速风向差分接收模块12，风速风向差分接收模块12再将处理后的风速和风向信号输出给主控制器模块5；
主控制器模块5的偏航信号输出给偏航信号发生模块10，由偏航信号发生模块10控制偏航步进电机13对桨叶1的朝向进行控制；
主控制器模块5的制动信号输出给制动信号模块9，再由制动信号模块9控制机械制动器8对低速永磁同步发电机2的输入轴进行制动。
本实施方式中还可以包括操作方式选择按钮15、故障指示器16和液晶显示模块17，操作方式选择按钮15的信号输出端连接主控制器模块5的按钮信号输入端；故障指示器16的信号输入端连接主控制器模块5的故障信号输出端；液晶显示模块17的信号输入端连接主控制器模块5的显示信号输出端。
此处操作方式选择按钮15主要有显示切换功能、自动和手动偏航切换功能、手动正向运转和手动反向运转功能、卸荷电阻切换等功能；故障指示器16用于提示过电流和短路故障状态；液晶显示模块17，主要显示电能存储模块4的母线电压、直流充电电流，环境风速、风向及是否对低速永磁同步发电机2进行制动的状态等。
工作过程：来自于桨叶1的风能通过传动机械传送给低速永磁同步发电机2，低速永磁同步发电机2利用PWM整流充电功率模块3对终端的电能存储模块4进行充电。电流检测模块6、母线电压检测模块7、发电机转速检测模块11风速风向仪14检测的数据信号，分别为控制过程提供反馈参数。主控制器模块5为控制的核心，对主控制器模块5的控制可以通过操作方式选择按钮15进行方式选择，根据检测和计算获得的三相电流信号依据单周控制的思想生成触发信号，对PWM整流充电功率模块3进行控制，实现低速永磁同步发电机2的单位功率因数输出。液晶显示模块17和故障指示器16分别与主控制器模块5相连，并安放于同一面板上，用于显示和故障指示。
具体实施方式二：下面结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式的发电方法基于下述装置实现，该装置包括桨叶1、低速永磁同步发电机2、PWM整流充电功率模块3、电能存储模块4、主控制器模块5、电流检测模块6、母线电压检测模块7、机械制动器8、制动信号模块9、偏航信号发生模块10、发电机转速检测模块11、风速风向差分接收模块12、偏航步进电机13和风速风向仪14；
所述发电方法的过程为：
步骤一、主控制器模块5根据母线电压检测模块7采集到的电压信号判断电能存储模块4是否已充满电，若是，执行步骤八；若否，执行步骤二；
步骤二：主控制器模块5将接收到的风速信号与预设置的桨叶1的最大风速相比较，当所述风速信号低于最大风速时，执行步骤三；
当所述风速信号等于最大风速时，执行步骤四；
当所述风速信号高于最大风速时，执行步骤五；
步骤三：主控制器模块5根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块10，偏航信号发生模块10根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机13，由偏航步进电机13控制桨叶1旋转，调整桨叶1的迎风面朝向，执行自动对风；然后执行步骤六；
步骤四：主控制器模块5根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块10，偏航信号发生模块10根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机13，由偏航步进电机13控制桨叶1旋转，调整桨叶1的迎风面朝向，执行自动侧风；然后执行步骤六；
步骤五：主控制器模块5根据接收到的风向信号发出偏航信号给偏航信号发生模块10，偏航信号发生模块10根据输入的偏航信号发出步进电机偏航控制信号给偏航步进电机13，由偏航步进电机13控制桨叶1旋转，调整桨叶1的迎风面朝向，执行90度侧风；然后执行步骤六；
步骤六：主控制器模块5根据输入的风速和风向信号，预测低速永磁同步发电机2在输出预测最大机械功率时对应的预测最大转速，并调整低速永磁同步发电机2的实际转速为所述预测最大转速，实现最大功率的跟踪；然后执行步骤七；
步骤七：计算低速永磁同步发电机2的占空比系数，进而得到低速永磁同步发电机2的三相电枢绕组中的三相电流的占空比、、，再根据、、控制PWM整流充电功率模块3中三个整流桥的通断，实现低速永磁同步发电机2的单位功率因数的输出；然后再执行步骤一；
步骤八：主控制器模块5发送制动指令给制动信号模块9，制动信号模块9控制机械制动器8对低速永磁同步发电机2的输入轴制动，停止发电。
所述步骤六中预测低速永磁同步发电机2在输出预测最大机械功率时对应的预测最大转速并实现最大功率的跟踪的方法为：主控制器模块5根据输入的风速和风向信号对低速永磁同步发电机2所能捕获的风能的最大功率进行预测，获得预测最大功率，并根据所述预测最大功率预测低速永磁同步发电机2的输出预测最大机械功率及其对应的预测最大转速，主控制器模块5将发电机转速检测模块11采集到的实际转速信号与所述预测最大转速相比较，然后调整给定的低速永磁同步发电机2两端的等效负载，通过PWM整流充电功率模块3来改变加在低速永磁同步发电机2两端的等效负载，进而调整低速永磁同步发电机2的实际转速，使低速永磁同步发电机2的实际转速等于预测最大转速，进而达到最大机械功率输出，实现最大功率的跟踪。
所述步骤七中计算低速永磁同步发电机2的占空比系数的方法为：根据步骤六中使低速永磁同步发电机2的实际转速等于预测最大转速时，给定的低速永磁同步发电机2两端的等效负载，由公式和计算得出占空比系数，其中为低速永磁同步发电机2输出的三相电压源合成的等效电压矢量，为电流检测模块6采集得到的电能存储模块4的充电电流，为低速永磁同步发电机2的等效电阻，为低速永磁同步发电机2的等效电感，为母线电压检测模块7采集的电能存储模块4输入的母线电压；
所述步骤七中低速永磁同步发电机2中的三相电枢绕组中的三相电流的占空比、、的计算方法为：根据公式，得到低速永磁同步发电机2中的三相电枢绕组中的三相电流的占空比、、，式中、、分别为低速永磁同步发电机2的三相电枢绕组中的三个电流值。
所述低速永磁同步发电机2的三相电枢绕组中的三个电流值、、的获得方法为：由电流检测模块6采集获得低速永磁同步发电机2的两相电枢绕组中的电流值、，根据电流约束通过两相电枢绕组中的电流值、计算出第三相电枢绕组中的电流值。
下面结合附图进对工作过程进行详细说明：
风能的分析：
风经过桨叶1时，会带动桨叶1旋转，同时风速会有一定的降落，但是不会降为零，因此低速永磁同步发电机2只能部分地利用风能，此利用比例称为风能利用系数，用表示，因此低速永磁同步发电机2所捕获的风能的机械功率为：
(一)
式中为桨叶1的半径，为风速风向仪14采集得到的风速；低速永磁同步发电机2所捕获的风能以力的形式带动其转子转动，当转速为时，输出机械功率为：
(二)
式中为转矩，稳态运行状态下，。在某一风速下，低速永磁同步发电机2的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速，在该转速下，低速永磁同步发电机2的输出机械功率为最大，它与风速的关系是最佳叶尖速比关系，在不同的风速下，低速永磁同步发电机2均有一个最佳的转速使其输出最大机械功率，将这些最大机械功率点连接起来可以得到一条低速永磁同步发电机2的输出最大机械功率曲线，即最佳功率负载线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。因此，在不同风速下控制低速永磁同步发电机2的转速向最佳转速变化就可以实现最大功率控制。
风速风向的检测、最大风能捕获与保护：
用于实现本发明方法的实现装置设计为无尾舵形式。风速风向仪14对风速和风向进行检测，并将风速实际频率发送至主控芯片，数据长度为五个字节，并进行相应的奇偶校验。
当风速低于系统预设置的可承受最大风速时，由偏航步进电机13控制桨叶1实现自动对风功能；当风速较高超过可承受最大风速或电能存储模块4过电压时，由偏航步进电机13控制桨叶1立即旋转90度，实现自动侧风功能。同时，对偏航步进电机13设置记忆功能。由于主电缆不能围绕塔杆旋转，即采用无滑环结构，当单方向旋转1080度时，必须使偏航步进电机13反向运行而解缆。运行当中，方向偏转尽量均衡，即避免偏航步进电机13单方向旋转。偏航步进电机13的功率密度大，偏航角度可由风速风向仪14采集获取的数据与电机实际角度进行比较，根据对风和侧风的要求发出相应脉冲数即可实现。
最大功率跟踪与风能预测：
图4中，实线为低速永磁同步发电机2的最大输出机械功率曲线，通过对PWM整流充电功率模块3的控制来改变加在低速永磁同步发电机2两端的等效负载，就能改变发电机的转速，使其达到最大功率点处的转速，从而实现最大功率的跟踪。
等效负载的给定依据图3的流程，实现最优负载。采集的风速信号主要决定了PWM整流充电功率模块3的初始调节，根据风能和风速之间的关系，设计合理的加载特性，同时配合扰动法，以期获得较高的充电性能。在小的范围内，采用负载扰动法找到对电能存储模块4的最优充电控制方式。
在低速永磁同步发电机2运行时，系统经过计算会根据测得的风速采用登山搜索法逐步搜索到最佳运行转速，这个过程在主控制器模块5中实现。这个搜索过程需要耗费一定时间，为了节省搜索时间，可将搜索结果储存在表格中，当再次检测到该风速时，直接通过查表来得出最佳等效负载，从而节省搜索时间。在此基础上，再将查表法与登山搜索法结合在一起，发挥出两种方法各自的优点。如图5所示。
控制流程主要为查表、登山搜索和写表，结合图3，对图中各个步骤的具体说明如下：
步骤A：假定风速在V0~V1范围内能够正常发电，将(V0，V1)区间平均分为n份，那么每个小的风速区间对应(，)两个数，为最佳转速，为转速稳定时的最佳负载。
步骤B：在运行初期，最佳运行转速表格内没有测得的风速下对应的最佳运行转速，经过搜索查表后所得的值为0。利用邻近的两点进行线性插值粗略估算出处的最佳运行转速，然后经过登山搜索，如图7所示，找到最佳转速后，将该值写入所述表格中。
步骤C：为了实现对低速永磁同步发电机2转速的扰动，需要改变其后端的等效负载，负载变化的范围越大，对发电机转速的扰动也越明显，为使低速永磁同步发电机2在转速快速变化的同时保证系统安全，需预设定一个功率器件能承受的最大负载值，当转速为时，则相电压为，那么：
(三)
其中为等效负载，为功率器件所能承受的最大电流。
步骤D：能量的计算是登山搜索的关键，首先要选择一个合适的扰动时间，计算内风机捕获的风能W，具体按照公式(三)进行计算。从中也可以看出，捕获的风能的计算主要包括两部分：一部分是机械能的变化量，可以通过时间内初始转速和最终转速计算得到；另一部分是电能的计算，通过对直流侧电压和电流的测量和计算。由于此过程通过主控制器模块5实现，因此需要进行离散化处理，离散的方法如图8所示，由图8可得电能的计算公式：
。 (四)
步骤E：当查表得到最佳转速后，通过施加一个合适的负载使转速以最短的时间到达后需要保持这个转速，如果采用最大和最小负载交替的方法，实现转速滞环控制可以很好的把转速控制在附近，但是由于负载的跳变，系统始终处在震荡状态，当风速为，发电机转速为，只有在满足公式(五)时，才能使发电机转速稳定。
(五)
因此在低速永磁同步发电机2转速达到时，需要寻找一个合适的负载使转速稳定，但是由于捕获的风能与发电机转速的关系是非线性的，等效负载难以精确计算，因此本发明中采用先估算然后逐步扰动加以精确。
由于风速和转速在稳定运行前，不可能运行在最优负载线上，依据不同的风速瞬时值，可以预测阵风存储的能量，按照能量曲线方向进行控制，快速寻找稳定运行点。
低速永磁同步发电机的单位功率因数控制：
基于单周控制的三相PFC，拓扑结构与三相PWM整流器基本相同，并且这种控制方式不需要检测交流侧相位，不需要进行解耦控制就能实现接近单位功率因数运行，能够适应交流电频率的波动，因而适合应用在风力发电系统中。
实现数字化单周控制的控制器可以采用TMS320F2812DSP作为主控芯片，功率器件采用IPM，通过DSP输出的六路PWM驱动信号经过光耦隔离后驱动开关管，采用霍尔式电流、电压传感器采集电流、电压信号。
对于低速永磁同步发电机2有如下公式：
(六)
(七)
式中为三相电流合成矢量，即为电能存储模块4的充电电流，占空比矢量是一个可控量，令满足如下公式：
(八)
将式(七)和(八)代入式(六)中得到：
(九)
现假设：
(十)
则
(十一)
为等效负载，则系统的等效模型如图9所示：
那么可得到电流表达式：
(十二)
占空比与电流的矢量关系，为了便于软件设计，可以将其转化为下式：
(十三)
由于通常会远远小于，故会表现出“纯电阻”特性，则与同相位，从而实现了单位功率因数输出。而通过调节可以直接调节等效阻抗的大小，从而调节电流的大小。也即能根据风能的实时状况进行预测进而调整输入电流的幅值。
由于公式(十三)通过DSP程序实现起来也比较容易，只需要根据电流采样信号来控制占空比矢量，但是电流采样值是经过电流传感器、采样电阻、AD转换这些环节后得到的数值，需要做一些处理。
图2中，低速永磁同步发电机2的交流侧电流经过电流传感器后，经AD转换将电流信号转换为数字量，霍尔式电流传感器将电流按比例缩小，假定其变比为K，采样电阻为R，A相电流峰值为，则输入AD的模拟量为，TMS320F2812DSP的AD输入模拟量为0~3V，转化后的数字量为0~4096，那么AD的变比为，AD转换出的模拟量乘以占空比系数后，写入DSP内部的比较寄存器其值为：
(十四)
公式(十四)为最终的控制方程，调制比为：
(十五)
其中为DSP中EV单元的周期寄存器，为相电压基波有效值根据公式：
(十六)
那么将公式(十五)代入式(十六)中可得到：
(十七)
为A相的等效负载，其它两相类同。可以发现，在得到最佳负载阻抗后，公式(十七)中的参数只有是由软件给定的，其他参数都是硬件参数决定的。因而，在程序中，可以通过对的调节，在一定范围内实现任意的等效电阻值。经过了参数的分析之后，进行了软件设计，PWM整流充电功率模块3的功率输出采用数字化单周控制的方法，具体流程参见图10。找到最大功率运行点后，即找到了最大等效负载。由于，可以用占空比系数来替代负载值。由于所设计的控制策略为，需要根据电流采样信号来控制占空比。TMS320F2812DSP的AD输入模拟量为0~3V，转化后的数字量为0~4096，那么AD的变比为，AD转换出的模拟量乘以占空比系数后，写入DSP内部的比较寄存器其值为。在一定范围内实现任意的等效电阻值。即可以根据最大功率输出的负载值，调节每相的开关管。由于控制公式采用。在忽略电感量的前提下，和呈线性关系，也即实现了单位功率因数运行。
最大功率跟踪型风力发电装置的运行：
主控制器模块5包括中央处理器DSP芯片TMS320F2812,电源转换芯片TPS767D318、串行通讯接口电路、IPM保护电路，旋钮开关信号输入隔离电路，以及故障指示继电器组。
本发明中对电流的检测主要应用在瞬时扰动过程中，对占空比系数的调节实现充电性能的优化。主控制器模块5主要实现电动装置的协调控制，以及各种状态的监测，同时将运行状态和故障状态显示在液晶屏幕上。在2m/s的风速下，对系统进行起机处理。首先，根据风向信息进行机械能量跟踪，在可能接受的迎风条件下，计算可能提供的能量，并进行相应的占空比系数的控制。而后，对占空比系数进行小范围的扰动控制，检测充电电流的幅值，并使占空比系数稳定在最大值上。本发明是一种高效的风力发电能量转换装置，它解决了现有离网型风力发电能量输出不可控、风能利用效率低和发电机功率因数低等问题。