基于直驅型PMSG風力發(fā)電系統的變槳自抗擾控制

摘要：為了實現大功率風力發(fā)電系統的恒功率控制，首先建立了基于直驅型PMSG風力發(fā)電系統的數學模型；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。仿真結果表明，該控制器能夠有效地控制槳距角，可以實現額定風速以上時系統輸出功率的恒定。
關鍵詞：風力發(fā)電系統；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)電機的直驅風力發(fā)電系統，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變?yōu)殡娋W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，大大減小了系統的運行噪聲，提高了可靠性，降低了系統成本，成為當前風力發(fā)電的研究熱點。直驅型PMSG風力發(fā)電系統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、電動機轉速和發(fā)電機輸出功率3個參數來獨立控制。文獻提出一種由槳距角大小來調節(jié)控制器增益的控制策略，即在原有PI控制系統中加入一個增益調整控制器。由于PI控制器缺少微分調節(jié)作用，系統的動態(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，自動實現對PID參數的最佳調整，以滿足不同時刻的e和ec對PID參數的自整定要求，從而得到槳距角變化目標的最佳調整。模糊PID控制器系統設計的核心為模糊控制規(guī)則設計，根據工程人員的實際操作經驗和技術知識得到。本文設計了一種基于自抗擾控制算法的控制器，該控制器的參數調整可不依賴于實際經驗，并能獲得更好的控制效果。仿真結果驗證了控制方法的有效性。

1 直驅型PMSG風力發(fā)電機組建模
1．1 風輪機模型
    根據貝茲理論，風輪機產生的機械功率為：
   
    式中：ρ為空氣密度；Rt為風力機風輪半徑；v為風速；Cp(λ，β)為風能轉換系數，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數；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。
    風輪機產生的風力矩：
  
    式中：CΓ(λ，β)為轉矩系數，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，風能轉換系數滿足以下函數關系：
   
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。
    此時經過帕克變換后，在d-q軸坐標系下，PMSG的數學模型如下：
   
    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為永磁體產生的磁通；轉子旋轉的電角速度ωs(t)=p×Ωh(t)，d-q軸坐標系以電角速度ωs(t)隨轉子一同旋轉。
    PMSG的電磁轉矩為：
   
1．3 變槳距執(zhí)行機構
    目前世界上投入使用的風能轉換系統變槳距執(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動或由3個液壓缸分別驅動；一種是電動變槳距機構，槳葉由3個電機驅動。風能轉換系統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)行系統是帶有死區(qū)的非線性系統。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時，變槳距執(zhí)行系統表現為線性特性。執(zhí)行系統的模型為一階微分方程：
   
    式中：β是執(zhí)行系統輸出，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為變槳伺服系統的時問常數。一般而言，Tβ很小，β可以很快跟蹤到βref。
1．4 直驅型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，將風能轉換成機械能，使風輪機轉動，帶動PMSG轉子旋轉，從而產生電能，經交直交變換器輸送到電網中。圖2為直驅型PMSG風力發(fā)電機組整體框圖。

2 變槳距控制
2．1 控制策略
    直驅風力發(fā)電系統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)電機控制系統控制轉速，調節(jié)風力機葉尖速比，從而實現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，由風力機控制系統通過調節(jié)槳距角來改變風能系數，從而控制風電機組的轉速和功率，防止風電機組超出轉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型風力發(fā)電系統的關鍵。
2．2 自抗擾控制器
    取風力發(fā)電系統恒功率輸出運行時的一個平衡點M，其對應參數為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擾動。?。?br />
    基于式(14)設計自抗擾控制器實現風電系統變槳距調節(jié)。以△P為量測輸入構造擴張狀態(tài)觀測器，有：
   
    式中：z21，z22為系統狀態(tài)變量觀測值；z23對應系統擾動觀測值。
   
    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，實現變槳距控制。

3 仿真結果
3．1 仿真參數
    仿真參數如表1所示。

    自抗擾控制器參數取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 仿真結果
    仿真結果輸出如圖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6％左右的超調，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，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 結語
    本文簡單分析了永磁直驅風力發(fā)電系統的結構和特性，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，可實現系統的恒功率輸出，為進一步研究永磁直驅風力發(fā)電系統的功率控制奠定了基礎。