电气传动2015年第45卷第10期
巩建英1，谢蓉2
（1.长安大学电子与控制学院，陕西西安710064；
2.西北工业大学自动化学院，陕西西安710072）
摘要：以基于永磁同步发电机的直驱式小型风力发电机组为研究对象，为了在不使用机械传感器的情况下实现最大功率点跟踪（MPPT ）控制，提高系统可靠性和降低控制成本，提出了一种利用发电机输出端电压有效值和功率之间的关系曲线进行MPPT 控制方法。该方法的主要贡献为：1）不使用机械传感器也能获得很好的MPPT 控制效果；2）通过对风力涡轮机和永磁同步发电机组成的系统进行建模，减小了理论分析和计算的难度。仿真实验验证了所提出方法的有效性。 关键词：风力发电机；最大功率跟踪；电压—功率曲线；永磁同步发电机中图分类号：TN721
文献标识码：A
MPPT Control of Directly Driven Small Wind Turbine Generator System
GONG Jian⁃ying 1，XIE Rong 2
（1.School of Electronic &Control Engineering ，Chang ’an University ，Xi ’an 710064，Shaanxi ，China ；
2.School of Automation ，Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an 710072，Shaanxi ，China ）Abstract:Addressed the issues of control for directly driven small wind turbine generator system （WTGS ）based
on permanent magnet synchronous generators （PMSG ）.In order to achieve maximum power point tracking （MPPT ）with no mechanical sensors ，improve the reliability of WTGS and reduce its cost ，a method was proposed by using U -P curve to achieve MPPT.The contributions of the method were as follows ，1）a good MPPT control effect was obtained without sensors ，2）In order to reduce the difficulty of theoretical analysis and computation of the whole system ，a WTGS model consisting of wind turbine and PMSG was presented.The efficiency of the proposed method is verified.
Key words:wind turbine ；maximum power point tracking （MPPT ）；U -P curve ；permanent magnet synchronous
generator （PMSG ）
基金项目：陕西省自然科学基金（2014JQ8342）
作者简介：巩建英（1980-），男，博士，讲师，Email ：********************
ELECTRIC DRIVE 2015Vol.45No.10
近年来，随着新能源技术的发展，风力发电的成本不断降低，从而使得全球范围内风力发电机（wind turbine ，WT ）的安装容量剧增［1-2］。其中，新安装的很大一部分为小型风力发电机
（small wind turbine ，SWT ）［3-4］
。在我国偏远的哨
所、农牧区、气象站和微波站安装SWT ，具有很好的经济性和实用性［5］。
目前，机械结构配置较为简单的SWT 是由风力涡轮机和永磁同步发电机（PMSG ）构成的变转
速型风力发电机［6-7］。其中发电机由风力涡轮机直接驱动，由于没有变速箱，其具有机组寿命长、维护方便、效率高和成本低等优点，但缺点是发电机的转速将随着风场风速的变化而变化，实现最大
功率点跟踪（MPPT ）控制比较困难［6-7］。具体体现为，若使用风速和转速等机械传感器来回馈控制器设计所需的状态参数，将增加SWT 的配置和控制成本并降低其可靠性，若不使用机械传感器获得控制器设计所需的转速等状态参数，将
55
电气传动2015年第45卷第10期
会增加控制器设计的难度，甚至会产生较大的MPPT跟踪误差。
为了实现对直驱式SWT的MPPT控制目标，已有的研究成果主要包括以下几类。
1）不使用风速传感器且不知道SWT的模型参数，采用干扰和观测（P&O）方法实现MPPT控制［8-9］。这种方法的主要不足是风速变化容易引起发电机输出电压较大的波动，且存在较大的跟
踪误差。
2）使用位置传感器而不使用风速传感器，采用基于ω—P曲线的方法实现MPPT控制［10-13］。这种方法具有很好的控制效果，其主要不足是使用了机械传感器，降低了风力发电机组的可靠性，增加了控制成本。
3）不使用任何机械传感器，采用不可控三相整流桥将PMSG的输出电压整流为直流电压V dc，然后使用了基于V dc—P或V dc—I dc曲线的方法实现MPPT控制［7，14-16］。这种方法的不足之处是整流器输出端电压V dc与风力涡轮机的机械角速度ω之间的对应关系较为复杂，需要分别考虑整流器工作在CCM，DCM和NCM等3种模式下V dc与ω之间的对应关系，增加了系统建模和控制过程中理论分析和计算的难度。
为了不增加风力发电系统建模和控制过程中理论分析和计算的难度，本文在建立由风力涡轮机和PMSG组成的风力发电机组的数学模型的基础上，通过理论分析得知PMSG输出端电压的有效值U与其角速度ω之间存在近似的线性关系，提出了利用U—P曲线代替ω—P曲线进行MPPT控制的方法。
该方法通过对PMSG输出端电压和电流进行采样，并计算出输出功率P out=3UI，以获得U与P的实时对应关系，然后通过与预定的U—P曲线进行比较来对SWT的角速度进行调整，以实现对该风力发电机组的MPPT控制。最后，用Matlab仿真验证该模型和控制方法的有效性。
1问题描述
SWT的结构原理如图1所示。其中包括风力发电机组、整流器、卸载箱、蓄电池、逆变器和负载等。
下面建立SWT中主要模块的数学模型。
1.1风力涡轮机的模型
一般而言，采用WT捕获风能时，由风能转换成的机械功率为［2］
P m=12ρAC p()λv3w（1）式中：ρ为空气密度；A为桨叶扫过的面积；v w为风速；C p()λ为性能系数；λ为叶尖速比，λ=ωt R/v w，ωt为风力涡轮机的角速度；R为桨叶半径。
SWT的桨距角（β）通常是固定的。当桨距角为常数β0时，C p()λ描述为［2］
C p()λ=(0.44-β060)sin[π
()
λ-3
15-0.3β
]-
0.00184()
λ-3β
（2）1.2PMSG模型
PMSG在dq坐标系下的数学模型为［17］
ì
í
î
ï
ïï
ï
包边带
ï
ïï
ï
u
d
=R s i d-pωm L q i q+L d
d i d
d t
u
q
=R s i q+pωm L d i d+L q
d i q
d t+pωmΦm
T e=32p[Φm i q+(L d-L q)i d i q]
发热涂料
（3）
式中：u d，u q分别为d轴和q轴端电压；i d，i q分别为d轴和q轴电流；L d，L q分别为d轴和q轴电感；R s 为电枢电阻；ωm为转子角速度；p为极对数；Φm为永磁感应磁通；T e为电磁转矩。
SWT中的PMSG通常设计为隐极永磁转子同步发电机，故L d=L q。由于PMSG与风力涡轮机直接轴联，可以认为PMSG的转子角速度ωm与风力涡轮机的角速度ωt相等，即ωm=ωt。下文中将表示风力涡轮机和PMSG的机械角速度均写为ωm。
SWT的机械运动方程可写为
T e-T m=J
dωm
d t+Bωm（4）式中：T m为SWT的机械转矩；J为SWT的惯性转矩；B为负荷黏滞性摩擦因数。
永磁发电机
巩建英，等：直驱式小型风力发电机MPPT
控制
图1小型风力发电系统结构图
Fig.1The structure of SWT
木制工艺品加工56
电气传动2015年第45卷第10期
2控制器设计
对SWT 进行MPPT 控制的目的是，当实际风速v w 低于额定风速v wN 时，使得SWT 运行在最大风功率电追踪状态下；当v w 大于v wN 时，必须减少风力涡轮机风轮捕获的能量，使功率保持在额定
值附近，以保护SWT 的安全。2.1
利用ω—P 曲线实现MPPT 控制
根据式（1），给定风速v w ，风力涡轮机的最大输出功率P m,opt 取决于其性能系数C p ()λ。当C p ()
λ为最大值C p opt 时，风力涡轮机的输出功率为最大值P m,opt ，即
P m,opt =12
ρAC popt v 3
w （5）
其中，
C popt 对应于最优叶尖速比λopt 。根据λ=ωm R /v w 可知，通过调整角速度ωm 来
适应风速v w 的变化，能够使得叶尖速比λ保持在最
优值λopt 。因此，在风速v w 下，存在一个最优的角
速度ωm,opt 能够使得风力涡轮机的输出功率达到最大值P m,opt 。
根据ωm 与P m,opt 之间的对应关系可以获得
ω—P 曲线，
如图2所示。图2中，实线表示风力涡轮机的输出功率P m
与角速度ωm 的关系曲线；虚线表示风力涡轮机的最优输出功率P m,opt 与ωm 的关系曲线。
小型风力涡轮机的参数为：额定功率4.2kW ，启动风速3.5m/s ，额定风速12m/s ，最优性能系数0.316，最优叶尖速比8.63，转动惯量5kg ·m 2，风轮直径4m ，额定转速600r ·min -1，电枢电阻0.6Ω，电枢电感4.9mH ，极对数15，永磁感应磁通0.475Wb 。
使用传感器获得ωm 的取值，利用ω—P 曲线完
全可以实现MPPT 控制［4，12］
。若不使用传感器获得ωm 的取值，利用U —P 曲线也能够进行MPPT 控
制。下面给出其相应的控制原理。
2.2利用U —P 曲线实现MPPT 控制
采用直驱式永磁同步发电机组进行风力发
电，由于发电机采用永磁体励磁时，发电机与连接在其输出端的永磁体之间没有无功功率交换，因此发电机在d 轴和q 轴的反电势分别为
ìí
îe q =Φm p ωm e d =0
（6）
式中：
e d ，e q 分别为PMSG 在d 轴和q 轴的反电势。由于d 轴电流分量与无功功率相关，因此设
d 轴电流在稳态时为0，即i d =0。
通过Park 变换，可求得
ìíîe a =e d cos θ-e q sin θi a =i d
cos θ-i q sin θ
（7）
式中：
θ=p ωm t ；e a ，i a 分别为PMSG 在abc 坐标下a 相的反电势和电枢电流。
根据式（7），e a 和i a 的有效值分别为ìí
î
ïïïïE =
I =（8）
式中：
E ，I 分别为e a 和i a 的有效值。PMSG 的电磁功率可通过下式求得
P em =3EI
（9）
PMSG 的输出功率为
P out =3UI （10）
式中：
U 为PMSG 在abc 坐标系下的输出端电压u a 的有效值。
将式（6）和i d =
0代入式（8），可求得
ìí
î
ïïïïE =
q =m p ωm
I =q （11）因为永磁感应磁通Φm 和极对数p 的取值为常
数，所以E 与ω具有线性关系。然而，在工程中很
难直接获得e a 的值。不过，工程上很容易获得PMSG 输出端电压u a 的有效值U 。将式（9）和式（10）带入P m =P out /η，可得
E =U /η
（12）
将式（12）代入式（11）可求得
U ==
Φm p ωm
（13）假设效率η是一个常量，可知U 与ω具有线性
关系。在进行MPPT 控制时，可以采用U —P 曲线代替ω—P 曲线。这样，在不使用机械传感器的情
况下，就可以实现对直驱式风力发
电机组的
图2ω—P 曲线
Fig.2
The curves of ω—P
巩建英，等：直驱式小型风力发电机MPPT 控制57
电气传动2015年第45卷第10期MPPT 控制。
根据式（13），将ω—P 曲线转换为U —P 曲线。利用U —P 曲线进行MPPT 控制的策略可以通过图
3来描述。
通过对PMSG 的输出端电压和电流进行采样，获得U 与I 。计算出其输出功率P out =3UI ，然后通过P m =P out /η估算出风力涡轮机的机械功率P m 。
利用U —P 曲线获得P m,opt 。比较P m,opt 和P m 。
若P m,opt >P m ，认为发电机转速过高，则需要减小
ωm ；反之，需要增大ωm 。通过对ωm 的调整最终使得P m,opt »P m 。因此，根据P m,opt 与P m 的关系来获得ωm 的变化量D ωm ，将D ωm 输入到PMSG 控制器实
现对风力发电机组转速的控制［17］。
3实验结果
3.1
仿真验证
基于小型风力涡轮机的参数构建其Matlab 仿真模型。考虑风速随机变化的情况，分别使用U —P 曲线和ω—P 曲线控制策略对SWT 进行
MPPT 控制，验证它们的控制效果是否一致。在仿真实验过程中，给定的风速随时间t 变化曲线如
图4所示。
假设SWT 的效率η = 0.95，所获得的结果分别如图5和图6所示。
图5中，点划线表示所期望的最优角速度ωopt ；虚线表示利用ω—P 曲线控制策略进行MPPT
控制得到的角速度ωm ω-P ；实线表示利用U —P 曲
线控制策略进行MPPT 控制得到的角速度
ωm,u -P 。图6中，虚线表示用ω—P 曲线控制策略进行MPPT 控制得到的PMSG 输出功率P out ω-P ；
实线表示利用U —P 曲线控制策略进行MPPT 控制得到的PMSG 输出功率P out u -P 。
从图4~图6可以看出，在随机风速下，分别
使用ω—P 曲线和U —P 曲线控制策略对SWT 进行MPPT 控制，所得到ωm 和P out 的结果非常一致。3.2
实验验证
为了进一步验证本文所提出的控制方法的有效性，构建了采用一个7.5kW 的永磁同步电动机模拟风力涡轮机，来直接驱动一个2kW 的PMSG 的实验系统。其中，PMW 整流器采用的是IGBT 模块CM50TF -12H ，控制算法采用TMS320C2812DSP 控制板实现。考虑到模拟风速的随机性比较困难，在试验中测试了一种较为极端的情况，假设风速是阶跃性突变的，对应于驱动电机的转速变化是从200r/min 变化到300r/min ，保持一段时间
再恢复到200r/min 。具体实验结果如图7和图8所示。
图4
风速变化曲线
Fig.4The curve of wind speedck666
图5
PMSG 的转子角速度比较.
Fig.5
The comparison of the rotor speed of PMSG
图6
PMSG 的输出功率比较
Fig.6
The comparison of the output power of PMSG
图3利用U —P 曲线进行MPPT 控制的原理图
Fig.3
The diagram of MPPT control by using U —P铝合金手电筒
curve
巩建英，等：直驱式小型风力发电机MPPT
控制
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电气传动2015年第45卷第10期
从图7和图8可以看出，分别使用ω—P 曲线控制策略和U —P 曲线控制策略对SWT 进行MPPT 控制，所得到ωm 和V dc 的实验结果非常一致。由于U —P 曲线控制策略不使用机械传感
器，所以U —P 曲线控制策略可以简化SWT 控制系统的硬件配置、降低成本和提高系统整体的可靠性。
4结论
1）本文建立了由风力涡轮机和PMSG 组成的
SWT 的整体数学模型，从理论上分析了采用U —P 曲线控制策略对SWT 进行了MPPT 控制的可行性，并进行了基于U —P 曲线的SWT 控制器设计。
2）仿真实验结果说明，使用ω—P 曲线控制策略对SWT 进行MPPT 控制可以取得与U —P 曲线控制策略一致的控制效果。
3）通过测量PMSG 输出端电压和电流可以获得U —P 曲线，采用U —P 曲线控制策略不使用任何机械传感器，不仅具有可靠性高和控制成本低的优点，而且具有工程实用性。
参考文献
［1］Ahmed F Zobaa ，Ramesh C Bansal.Handbook of Renewable
Energy Technology ［M ］.World Scientific ，2011.
［2］Burton T ，Jenkins N ，Sharpe D ，et al.Wind Energy Hand⁃book ［M ］.John Wiley &Sons ，2011.
［3］Colak I ，Sagiroglu S ，Yesilbudak M.Data Mining and Wind
Power Prediction ：a Literature Review ［J ］.Renewable Energy ，2012，46（10）：241-247.
［4］Andoni Urtasun*，Pablo Sanchis ，Idoia San Martín ，et al.
Modeling of Small Wind Turbines Based on PMSG with Diode Bridge for Sensorless Maximum Power Tracking ［J ］.Renew⁃able Energy ，2013，55（7）：138-149.［5］祁和生，姚修伟，李德孚，2013年中小型风能行业发展
形势报告［J ］.中小型风能设备与应用，2014，9（3）：15-21.
［6］张小莲，殷明慧，周连俊，等，风电机组最大功率点跟踪控
制的影响因素分析［J ］，电力系统自动化，2013，37（22）：15-21.［7］Rubi Garcia ⁃hernandez ，Raul Garduno ⁃ramirez.Modeling a
Wind Turbine Synchronous Generator Based on PMSG with Diode Bridge for Sensorless Maximum Power Tracking ［J ］.International Journal of Energy and Power ，2013，2（3）：64-70.［8］Kesraoui M ，Korichi N ，Belkadi A.Maximum Power Point
Tracker of Wind Energy Conversion System ［J ］.Renewable Energy 2010，36（10）：2655-2662.
［9］Wang H ，Nayar C ，Su J ，et al .Control and Interfacing of a
Grid ⁃connected Small ⁃scale Wind Turbine Generator ［J ］.IEEE Transactions on Energy Conversion ，2011，26（2）：428-434.
［10］Narayana M ，Putrus GA ，Jovanovic M ，et al .Generic Maxi⁃
mum Power Point Tracking Controller for Small ⁃scale Wind Turbines ［J ］.Renewable Energy ，2012，44（8）：72-79.［11］张建忠，程明.基于非线性控制的永磁风力发电机最大风
能跟踪［J ］.电网技术，2010，34（6）：181-185.
［12］姚骏，廖勇，瞿兴鸿，等．直驱永磁同步风力发电机的最佳
风能跟踪控制［J ］.电网技术，2008，32（10）：11-15．［13］刘向向，李新宇.变结构控制策略在直驱永磁同步风力发电
机中的应用［J ］.电网技术，2013，37（2）：520-525.［14］Serban I ，Marinescu C.A Sensorless Control Method for Vari⁃
able Speed Small Wind Turbines ［J ］.Renewable Energy ，2012，43（7）：256-266.
［15］殷明慧，张小莲，叶星，等．一种基于收缩跟踪区间的改进
最大功率点跟踪控制［J ］.中国电机工程学报，2012，32（27）：24-31.
［16］Dehghan SM ，Mohamadian M ，Varjani AY.A New Variable⁃
Speed Wind Energy Conversion System Using Permanent ⁃magnet Synchronous Generator and Z ⁃source Inverter ［J ］.IEEE Transactions on Energy Conversion ，2009，24（3）：714-724.
［17］尹明，李庚银，张建成，等.直驱式永磁同步风力发电机组建
模及其控制策略［J ］.电网技术，2007，31（15）：61-65.
图8
整流器输出电压V dc 比较
Fig.8The comparison of the V dc
收稿日期：2014-11-13修改稿日期：2015-04-16
巩建英，等：直驱式小型风力发电机MPPT 控制图7
PMSG 的转子角速度比较
Fig.7
The comparison of the rotor speed of
PMSG
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