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[導讀]摘要:為了實現(xiàn)大功率風力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率控制,首先建立了基于直驅(qū)型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型;其次,以功率偏差為控制器的輸入信號,設計了一種基于自抗擾算法的風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。最后,在陣風疊加隨

摘要:為了實現(xiàn)大功率風力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率控制,首先建立了基于直驅(qū)型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型;其次,以功率偏差為控制器的輸入信號,設計了一種基于自抗擾算法的風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。最后,在陣風疊加隨機風的作用下進行仿真研究。仿真結(jié)果表明,該控制器能夠有效地控制槳距角,可以實現(xiàn)額定風速以上時系統(tǒng)輸出功率的恒定。
關鍵詞:風力發(fā)電系統(tǒng);恒功率;自抗擾;變槳距控制器

0 引言
    風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視,風力發(fā)電是風能最常見的利用形式。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)不需要勵磁裝置,具有重量輕,效率高,可靠性好的優(yōu)點。風力發(fā)電機組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型,從轉(zhuǎn)速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術最為先進的變速變槳距型,發(fā)電效率在顯著提高。特別是變速變槳距機組,其發(fā)電機中采用的變速恒頻技術提高了風力發(fā)電機組在低風速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng),無需外部提供勵磁電源,把永磁發(fā)電機變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電,做到風力機與發(fā)電機的直接耦合,省去齒輪箱,大大減小了系統(tǒng)的運行噪聲,提高了可靠性,降低了系統(tǒng)成本,成為當前風力發(fā)電的研究熱點。直驅(qū)型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵在于額定風速時的變槳距控制。變槳距風力發(fā)電機組的槳距參考值可由風速、電動機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機輸出功率3個參數(shù)來獨立控制。文獻提出一種由槳距角大小來調(diào)節(jié)控制器增益的控制策略,即在原有PI控制系統(tǒng)中加入一個增益調(diào)整控制器。由于PI控制器缺少微分調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)的動態(tài)性能受到一定影響。文獻設計了模糊PID控制器對槳距角進行控制。輸入信號的誤差為e和誤差變化率為ec,運用模糊推理,自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整,以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)的自整定要求,從而得到槳距角變化目標的最佳調(diào)整。模糊PID控制器系統(tǒng)設計的核心為模糊控制規(guī)則設計,根據(jù)工程人員的實際操作經(jīng)驗和技術知識得到。本文設計了一種基于自抗擾控制算法的控制器,該控制器的參數(shù)調(diào)整可不依賴于實際經(jīng)驗,并能獲得更好的控制效果。仿真結(jié)果驗證了控制方法的有效性。

1 直驅(qū)型PMSG風力發(fā)電機組建模
1.1 風輪機模型
    根據(jù)貝茲理論,風輪機產(chǎn)生的機械功率為:
   
    式中:ρ為空氣密度;Rt為風力機風輪半徑;v為風速;Cp(λ,β)為風能轉(zhuǎn)換系數(shù),是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù);葉尖速比λ為風輪葉尖線速度與風速之比,即;Ω1為風輪的機械角速度。
    風輪機產(chǎn)生的風力矩:
  
    式中:CΓ(λ,β)為轉(zhuǎn)矩系數(shù),CΓ(λ,β)=Cp(λ,β)/λ。
    在額定風速以下時,槳距角β為常值0。在額定風速以上,風能轉(zhuǎn)換系數(shù)滿足以下函數(shù)關系:
   
1.2 PMSG模型
    在分析永磁同步電機的基本電磁關系時,假定永磁同步電機為理想電機,即滿足:
    (1)忽略鐵心磁飽和的影響,不計渦流及磁滯損耗;
    (2)永磁材料的電導率為零;
    (3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組;
    (4)定子三相對稱,感應電動勢為正弦。
    此時經(jīng)過帕克變換后,在d-q軸坐標系下,PMSG的數(shù)學模型如下:
   
    式中:R為定子電阻;ud(t),uq(t)為d軸和q軸的定子電壓;Ld,Lq為d軸和q軸的定子電感;φm為永磁體產(chǎn)生的磁通;轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度ωs(t)=p×Ωh(t),d-q軸坐標系以電角速度ωs(t)隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。
    PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩為:
   
1.3 變槳距執(zhí)行機構
    目前世界上投入使用的風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變槳距執(zhí)行機構主要有兩種方案。一種是液壓變槳距機構,槳葉通過一套曲柄連桿機構同步驅(qū)動或由3個液壓缸分別驅(qū)動;一種是電動變槳距機構,槳葉由3個電機驅(qū)動。風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的槳距角和變槳距速率的范圍都是有限制的,因此變槳距執(zhí)行系統(tǒng)是帶有死區(qū)的非線性系統(tǒng)。圖1為變槳執(zhí)行機構的基本原理框圖。


    當槳距角和變槳距速率在飽和極限范圍內(nèi)時,變槳距執(zhí)行系統(tǒng)表現(xiàn)為線性特性。執(zhí)行系統(tǒng)的模型為一階微分方程:
   
    式中:β是執(zhí)行系統(tǒng)輸出,即節(jié)距角的實際值;βref為參考節(jié)距角,是控制器給出的槳距角設定值;Tβ為變槳伺服系統(tǒng)的時問常數(shù)。一般而言,Tβ很小,β可以很快跟蹤到βref。
1.4 直驅(qū)型PMSG風電機組整體框圖
    基于PMSG的風力發(fā)電機組主要由風輪機和PMSG兩部分組成。風輪機捕捉風能,將風能轉(zhuǎn)換成機械能,使風輪機轉(zhuǎn)動,帶動PMSG轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電能,經(jīng)交直交變換器輸送到電網(wǎng)中。圖2為直驅(qū)型PMSG風力發(fā)電機組整體框圖。



2 變槳距控制
2.1 控制策略
    直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制總體方案是額定風速以下風力機定槳距運行,由發(fā)電機控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)風力機葉尖速比,從而實現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風能的捕獲。在額定風速以上時風力機變槳距運行,由風力機控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風能系數(shù),從而控制風電機組的轉(zhuǎn)速和功率,防止風電機組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運行而可能造成的事故。因此,高于額定風速時的變槳距控制成為直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵。
2.2 自抗擾控制器
    取風力發(fā)電系統(tǒng)恒功率輸出運行時的一個平衡點M,其對應參數(shù)為Γut0,Ω0,β0,P0,以M點為參考點將式(2)泰勒展開得:
   

    式中:控制輸出△βREF的系數(shù)K難以得到確切值,可以取其估計值K0,將錯估部分歸為系統(tǒng)擾動。?。?br />
    基于式(14)設計自抗擾控制器實現(xiàn)風電系統(tǒng)變槳距調(diào)節(jié)。以△P為量測輸入構造擴張狀態(tài)觀測器,有:
   
    式中:z21,z22為系統(tǒng)狀態(tài)變量觀測值;z23對應系統(tǒng)擾動觀測值。
   
    取功率反饋得出狀態(tài)誤差,構成非線性控制律計算控制量:
   

    圖3為變槳距自抗擾控制器的風力機組整體框圖。其中:△P為自抗擾控制器輸入;△βref為控制器輸出,實現(xiàn)變槳距控制。



3 仿真結(jié)果
3.1 仿真參數(shù)
    仿真參數(shù)如表1所示。


    自抗擾控制器參數(shù)取a0=0.5,a1=0.25,a2=1.2,β0=1,β1=100,β2=1,β01=10,β02=-10,δ=0.5取采樣步長為0.01。
3.2 仿真結(jié)果
    仿真結(jié)果輸出如圖4~圖8所示。


    比較圖5和圖6可以看出,陣風作用時,模糊控制器在7~8 s出現(xiàn)6%左右的超調(diào),8 s以后才達到穩(wěn)態(tài)值;自抗擾控制器能很好地抑制超調(diào),7 s左右即達到穩(wěn)態(tài)值,能快速控制槳距角,很好地維持恒功率輸出。

4 結(jié)語
    本文簡單分析了永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構和特性,以及變槳距的功率控制方法、自抗擾控制器,并對控制器進行設計和仿真。仿真結(jié)果表明,基于自抗擾控制算法的控制器能有效地對風力機槳距角進行控制,可實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率輸出,為進一步研究永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制奠定了基礎。

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