基于机械变速器作用的风力发电机最大功率点跟踪控制新方法

《Chinese Journal of Electrical Engineering》：Maximum Power Point Tracking Control of a Wind Turbine with an Action on the Speed Multiplier

本文针对风力发电系统最大功率点跟踪(MPPT)控制依赖复杂电力电子变换器的问题，提出了一种通过机械变速器实现MPPT的创新控制策略。研究团队通过理论推导建立了变速器传动比优化模型，结合15天实测风速数据仿真验证，实现了98.1%的功率系数效率和99.16%的总体能效。该方法为中小型风力发电系统提供了更简洁可靠的控制方案。

　　

在可再生能源技术快速发展的今天，风力发电作为清洁能源的重要代表，其能量转换效率始终是研究者关注的焦点。传统风力发电系统通常采用电力电子变换器（如整流器或逆变器）来实现最大功率点跟踪(MPPT)控制，这种方法虽然有效，但存在控制算法复杂、实现成本高、需要较长学习时间等局限性。特别是在中小型风力发电应用中，这些缺点更加凸显。

正是在这样的背景下，阿尔及利亚奥兰科学技术大学应用电力电子实验室的研究团队提出了一种创新性的解决方案——通过机械变速器来实现MPPT控制。这项发表在《Chinese Journal of Electrical Engineering》的研究，从根本上改变了传统思路，将控制重点从电力电子侧转移到了机械传动侧。

研究团队采用的理论基础建立在风力发电的能量转换原理上。风力机捕获的功率P_eo可表示为P_eo=1/2πρC_p(λ)R²v³，其中C_p为功率系数，λ为叶尖速比（λ=RΩ_eo/v）。当λ保持最优值λ_opt时，C_p达到最大值0.441（对于三叶片风力机）。传统的电力电子控制方法是通过调节发电机侧电气参数来间接维持最优叶尖速比，而新方法则是通过机械变速器直接调节传动比G，使得λ_opt=RΩ/(G_opv)恒成立。

研究方法上，团队首先建立了永磁同步发电机(PMSG)的数学模型，推导出输出功率与转速的平方成正比关系（P_PMSG∝Ω²）。基于这一关系，提出了变速器传动比的优化计算公式G_op=K_gR²√v，并确定了传动比的最小和最大边界值。控制系统中仅需测量发电机转速和风速两个参数，大大简化了传感器配置。

风力发电机MPPT控制

研究团队建立了完整的控制系统模型，通过调节变速器传动比来维持最优叶尖速比。当风速变化时，控制系统根据式G_op=RΩ/[(-0.13β+6.9)v]实时计算最优传动比，其中β为桨距角。控制系统采用离散化的传动比设置，在实际应用中通过5-10个固定传动比来实现接近连续的控制效果。

结果

仿真验证采用了阿尔及利亚Adrar地区实测的15天风速数据，平均风速3.25m/s，最大风速6.65m/s。结果显示，λ值在整个测试期间始终围绕最优值波动，获得的平均功率系数C_p为0.4326，相对于最大值0.441的效率达到98.1%。在15天的测试周期内，总发电量为24986kW·h，最大可能发电量为25196kW·h，整体能效达到99.16%。

p'>

在高风速测试中（8-12m/s），控制系统表现出色，效率在96%-99.9%之间波动。当风速为10m/s时，发电机输出功率达到1600W，效率为96.85%。研究还测试了桨距角变化和湍流扰动下的控制性能，结果表明系统在各种工况下均能保持良好的跟踪特性。

研究结论与意义

该研究提出的机械变速器MPPT控制方法，从根本上简化了风力发电系统的控制结构。与传统电力电子控制方法相比，新方法具有实现简单、不需要复杂算法、响应速度快等优势。机械变速器的传动比变化频率较低（平均每天29次），完全在商业变速箱的能力范围内。

研究还发现，变速器的传动比范围与风力机半径的平方成正比，这为不同规格的风力发电系统设计提供了理论依据。虽然该方法需要针对特定的发电机和风力机设计专用变速箱，但其在中小型风力发电应用中具有明显的技术和经济优势。

这项研究为风力发电控制技术提供了新的思路，未来可进一步研究变速箱的优化设计、延长机械部件寿命的措施，以及将该方法推广到其他类型的发电机（如双馈感应发电机）中的应用可能性。随着可再生能源技术的不断发展，这种简单可靠的控制方法有望在分布式发电领域发挥重要作用。