基于直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳自抗擾控制

摘要：為了實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其次，以功率偏差為控制器的輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種基于自抗擾算法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。最后，在陣風(fēng)疊加隨機(jī)風(fēng)的作用下進(jìn)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(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速以上時(shí)系統(tǒng)輸出功率的恒定。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；恒功率；自抗擾；變槳距控制器

0 引言
    風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最常見(jiàn)的利用形式。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，具有重量輕，效率高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shù)最為先進(jìn)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(jī)組，其發(fā)電機(jī)中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源，把永磁發(fā)電機(jī)變頻的交流電通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，大大減小了系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲，提高了可靠性，降低了系統(tǒng)成本，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn)。直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵在于額定風(fēng)速時(shí)的變槳距控制。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距參考值可由風(fēng)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率3個(gè)參數(shù)來(lái)獨(dú)立控制。文獻(xiàn)提出一種由槳距角大小來(lái)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(gè)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(dòng)態(tài)性能受到一定影響。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器對(duì)槳距角進(jìn)行控制。輸入信號(hào)的誤差為e和誤差變化率為ec，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)的自整定要求，從而得到槳距角變化目標(biāo)的最佳調(diào)整。模糊PID控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心為模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)，根據(jù)工程人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)得到。本文設(shè)計(jì)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(lài)于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并能獲得更好的控制效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性。

1 直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模
1．1 風(fēng)輪機(jī)模型
    根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為：
   
    式中：ρ為空氣密度；Rt為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；Cp(λ，β)為風(fēng)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(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比，即；Ω1為風(fēng)輪的機(jī)械角速度。
    風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)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(fēng)速以下時(shí)，槳距角β為常值0。在額定風(fēng)速以上，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)滿(mǎn)足以下函數(shù)關(guān)系：
   
1．2 PMSG模型
    在分析永磁同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系時(shí)，假定永磁同步電機(jī)為理想電機(jī)，即滿(mǎn)足：
    (1)忽略鐵心磁飽和的影響，不計(jì)渦流及磁滯損耗；
    (2)永磁材料的電導(dǎo)率為零；
    (3)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組；
    (4)定子三相對(duì)稱(chēng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦。
    此時(shí)經(jīng)過(guò)帕克變換后，在d-q軸坐標(biāo)系下，PMSG的數(shù)學(xué)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(biāo)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(jī)構(gòu)
    目前世界上投入使用的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種方案。一種是液壓變槳距機(jī)構(gòu)，槳葉通過(guò)一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動(dòng)或由3個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)；一種是電動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，槳葉由3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。風(fēng)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(jī)構(gòu)的基本原理框圖。

    當(dāng)槳距角和變槳距速率在飽和極限范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)際值；βref為參考節(jié)距角，是控制器給出的槳距角設(shè)定值；Tβ為變槳伺服系統(tǒng)的時(shí)問(wèn)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(fēng)電機(jī)組整體框圖
    基于PMSG的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)和PMSG兩部分組成。風(fēng)輪機(jī)捕捉風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體框圖。

2 變槳距控制
2．1 控制策略
    直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制總體方案是額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)定槳距運(yùn)行，由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。在額定風(fēng)速以上時(shí)風(fēng)力機(jī)變槳距運(yùn)行，由風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)改變風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行而可能造成的事故。因此，高于額定風(fēng)速時(shí)的變槳距控制成為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵。
2．2 自抗擾控制器
    取風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恒功率輸出運(yùn)行時(shí)的一個(gè)平衡點(diǎn)M，其對(duì)應(yīng)參數(shù)為Γut0，Ω0，β0，P0，以M點(diǎn)為參考點(diǎn)將式(2)泰勒展開(kāi)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(jì)值K0，將錯(cuò)估部分歸為系統(tǒng)擾動(dòng)。?。?br />
    基于式(14)設(shè)計(jì)自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)變槳距調(diào)節(jié)。以△P為量測(cè)輸入構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，有：
   
    式中：z21，z22為系統(tǒng)狀態(tài)變量觀測(cè)值；z23對(duì)應(yīng)系統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)值。
   
    取功率反饋得出狀態(tài)誤差，構(gòu)成非線性控制律計(jì)算控制量：
   

    圖3為變槳距自抗擾控制器的風(fēng)力機(jī)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(shí)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(zhǎng)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(fēng)作用時(shí)，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(dá)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(dá)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(yǔ)
    本文簡(jiǎn)單分析了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，以及變槳距的功率控制方法、自抗擾控制器，并對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)風(fēng)力機(jī)槳距角進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率輸出，為進(jìn)一步研究永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制奠定了基礎(chǔ)。