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，設(shè)計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)疊加隨機風(fēng)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(fēng)速以上時系統(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，越來越受到世界各國的重視，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最常見的利用形式。永磁同步風(fēng)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(fēng)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(shù)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(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機組在低風(fēng)速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機的直驅(qū)風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電的研究熱點。直驅(qū)型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵在于額定風(fēng)速時的變槳距控制。變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的槳距參考值可由風(fēng)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(shè)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(shè)計的核心為模糊控制規(guī)則設(shè)計，根據(jù)工程人員的實際操作經(jīng)驗和技術(shù)知識得到。本文設(shè)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(fēng)力發(fā)電機組建模
1．1 風(fēng)輪機模型
    根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪機產(chǎn)生的機械功率為：
   
    式中：ρ為空氣密度；Rt為風(fēng)力機風(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)輪的機械角速度。
    風(fēng)輪機產(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，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)滿足以下函數(shù)關(guān)系：
   
1．2 PMSG模型
    在分析永磁同步電機的基本電磁關(guān)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(dǎo)率為零；
    (3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；
    (4)定子三相對稱，感應(yīng)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(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(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)行機構(gòu)主要有兩種方案。一種是液壓變槳距機構(gòu)，槳葉通過一套曲柄連桿機構(gòu)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(gòu)，槳葉由3個電機驅(qū)動。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)行機構(gòu)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(shè)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(fēng)電機組整體框圖
    基于PMSG的風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪機和PMSG兩部分組成。風(fēng)輪機捕捉風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，使風(fēng)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(fēng)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(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(fēng)力機葉尖速比，從而實現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。在額定風(fēng)速以上時風(fēng)力機變槳距運行，由風(fēng)力機控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)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(fēng)速時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)恒功率輸出運行時的一個平衡點M，其對應(yīng)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(shè)計自抗擾控制器實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)變槳距調(diào)節(jié)。以△P為量測輸入構(gòu)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(yīng)系統(tǒng)擾動觀測值。
   
    取功率反饋得出狀態(tài)誤差，構(gòu)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(fēng)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(fēng)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(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，并對控制器進行設(shè)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制奠定了基礎(chǔ)。