中低风速下风力发电系统的动态谐振MPPT控制研究

As we all know, low and medium speed wind resources are abundant in Western China. However, the operation efficiency of a wind power system based on the current technology becomes quite low under the condition of low and medium speed wind. Therefore, how to utilize effectively the wind energy in Western China is becoming a new challenge to be solved urgently. According to the fact that the energy transfer in the resonance state reaches its maximum, in the present project, we will investigate a number of problems concerning the wind power generation system in the condition of low and medium wind speeds. By appropriate improvement of the structure of the system and real-time adjustment of the adjustable parameters, we will theoretically explore and provide the optimum condition under which the entire wind power operation of the system can be transferred into its harmonic resonant state so that the operation efficiency of the system can be remarkably improved. In our work, we will concentrate on the dynamic harmonic "resonance" theory of wind power generation system. Especially, new ideas and practical schemes will be proposed to realize the high-efficiency "resonance" regulation MPPT（Maximum-Power-Point-Tracking）control technology and to enhance the efficiency of wind power system at low-medium wind speed. The results of the present project are expected to be valuable for exploitation of low-medium speed wind resources.

众所周知我国西部地区中低风速的风能资源丰富，但当前风力发电技术在中低风速下效率较低，致使中低风速风能难以得到有效利用，这日益成为一个迫切需要解决的科技难题。基于谐振对能量传输的最大化效应，本研究围绕并针对中低风速下的风力发电系统存在的系列问题，通过引入液压传动和静压蓄能构建推挽式风力机旋转机构，实时调节系统的可调参数，使风力发电的机电系统工作在谐振状态，从而提高系统的风能利用效率。为此，本研究聚焦于谐振在风力发电系统中的利用方法，试图提出高效率的谐振调节MPPT 控制，为构建中低风速下高效率的风力发电系统奠定理论和实践基础。本研究为中低风速下的风力发电科学提供了新思路、新方法和新途径，其研究结果预期对于提高中低风速的风能利用效率具有重要价值及意义。

地表的中低风速风能资源丰富且分布广泛，一直以来中低风速风电效率低下，限制了风能资源的充分利用。提升中低风速下风力发电效率，是当下国内外风电系统普遍存在的重要和瓶颈问题。本项目对此进行了较深入的开拓性系统性研究。首先通过理论分析和仿真模拟了中低风速下的风电效率变化情况，发现并获得了导致整体风电系统效率低下的根本原因，是出现峰谷匹配等不良现象；进而研究导致匹配不佳的诸种因素：固有因素和人为设计局限性因素。前者包括风力机叶片的功率-转速特性、风力发电机的功率-转速特性、风力发电系统齿轮传动系统特性；后者体现在风力发电系统的MPPT设计缺陷：MPPT加剧了前述失配问题。针对传统MPPT设计的不足，根据风力机转动动能的存储和释放的可控调节理论与动态匹配理论，依照整体效率最大化原则，进行系统统合动态优化，本研究提出了改进方法即改进型的动态匹配MPPT方法。其实现途径主要是变峰谷匹配为最大程度的峰峰匹配，实现了能量转移的优化利用。同时，研究了继电器型MPPT实现方法，优化了该新型MPPT的关键参数，通过仿真研究证实明显提升了中低风速下的风电效率，在4~8m/s的中低风速区段可提升幅度达40.58%，具有重要的原创科学理论价值和实践应用价值。据此，新型动态匹配MPPT方法已经成功申请了国内外发明专利，为科研成果的转化奠定了良好基础。其次，在改进风电系统的效率性能方面，采用粒子群优化方法对传统MPPT和新型动态匹配型MPPT进行了优化研究，证实其较好的适用性和有效性；提出用风电效率曲线拐点理论，提供了更准确的MPPT风速区段的中低风速和中高风速区分标准，具有科学意义和实践指导价值；利用风电效率曲线理论，解释了风电系统的电功率最大点往往偏离风力机的MPPT转速点的实践问题，正是风电效率曲线在中低风速下的陡坡下降和洼地效应所致。编写了一章科学专著及数篇文章，获得了业界专家的肯定。