基于Fuzzy-PI的直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制

蔡斌軍，李朝旗，何 雍，王田宇

(湖南工程學院 電氣與信息工程學院，湘潭 411101)

0 引 言

在“雙碳”背景下，我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進入新的階段。在風電發(fā)展的過程中，改善風電質(zhì)量，保證風機安全運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)風力發(fā)電機最大功率輸出一直是風機研究的主要方向。直驅(qū)永磁同步風機相比雙饋交流勵磁風機，有著明顯的優(yōu)勢，如更高的發(fā)電效率、更優(yōu)的低電壓穿越能力。由于省去變速箱，提高了運行可靠性，降低了人工維護成本等，直驅(qū)永磁同步電機成為研究熱點[1]。

在實現(xiàn)風力發(fā)電最大功率點跟蹤(以下簡稱MPPT)控制的過程中，最常見的方法有兩類：一類是尋優(yōu)法，即爬山搜索算法，另一類是最佳特性曲線法。尋優(yōu)法采用較多的MPPT方法，傳統(tǒng)固定步長的MPPT算法在穩(wěn)態(tài)跟蹤準確度和動態(tài)跟蹤速度上存在不足。文獻[2]提出一種梯度式變步長登山算法，根據(jù)前一次輸出功率差值與電機轉(zhuǎn)速變化的梯度關(guān)系來判斷下一次的步長變化，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)響應。文獻[3]提出一種分段式變步長登山算法，將風機工作區(qū)間分為4個區(qū)域，在不同區(qū)域采用不同算法，結(jié)合固定步長和斜率變步長的優(yōu)點，從而改善了系統(tǒng)的性能。文獻[4]結(jié)合模糊控制算法與MPPT算法，快速且準確地實現(xiàn)了最大功率追蹤的目的。文獻[5]通過加入模糊控制，從而達到精確的PI參數(shù)整定效果，實際轉(zhuǎn)速快速跟蹤參考轉(zhuǎn)速。

本文針對直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM控制技術(shù)展開研究。MPPT采用變步長爬山搜索法，機側(cè)變流器為轉(zhuǎn)速外環(huán)控制；網(wǎng)側(cè)控制確保母線電壓穩(wěn)定在設定值，并實現(xiàn)并網(wǎng)功率獨立解耦控制。

1 風力發(fā)電控制策略

1.1 風力機特性分析

由貝茲(Betz)理論可以知道，風力發(fā)電機僅使用部分風力發(fā)電，理論利用最大值為0.593，風機實際利用風能公式：

(1)

(2)

式中:R為風輪半徑；λ為葉尖速比；V為風速；n為風機轉(zhuǎn)速；β為槳距角；ωr為風機角頻率；Pr為風機利用功率；CP為風能利用系數(shù)；ρ為空氣密度。

1.2 最大功率跟蹤控制

由式(1)、式(2)可知，風速、風機轉(zhuǎn)速、槳距角直接影響風機風能利用率。在一恒定風速下，存在一恒定轉(zhuǎn)速值，使風機達到最大輸出功率。在直驅(qū)風機中，發(fā)電機與輪轂轉(zhuǎn)軸直接相連，兩者同步運行。發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化直接影響風力機最大功率輸出。當風速發(fā)生改變時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤輸出。

本文采用變步長爬山搜索法，控制邏輯如表1所示，控制示意圖如圖1所示。

表1 爬山法控制邏輯表

圖1 爬山法控制示意圖

變步長爬山法的搜索步驟如下：

(1)測量風力機輸出功率Pn與永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ωn。

(2)測量電機轉(zhuǎn)速變化量Δωn=ωn-ωn-1，功率變化量ΔPn=Pn-Pn-1。

(3)根據(jù)Δωn和ΔPn判斷工作點的移動趨勢屬于圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 的哪一個區(qū)。當工作點的變換趨勢屬于Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)時，需增加電機的轉(zhuǎn)速；當工作點的變換趨勢屬于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)時，需減少電機的轉(zhuǎn)速。加入角速度擾動S可以表示：

(3)

式中：s為固定常數(shù)；sign(x)為符號函數(shù)，滿足x>0時，sign(x)=1，x<0時，sign(x)= -1。

(5)重復步驟(1)～步驟(4)。

1.3 機側(cè)變流器控制

在三相靜止坐標系下，永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型復雜，難以準確地建立。為了便于對永磁同步發(fā)電機的研究和控制，現(xiàn)對發(fā)電機進行假定：忽略鐵心磁飽和，不計鐵心的渦流和磁滯損耗；不計轉(zhuǎn)子阻尼繞組；轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁勢為正弦波;定子繞組感應電動勢正弦分布。

建立d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的方程[6]：

(4)

式中：ud，uq為d，q軸定子電壓；Rs為定子電阻；id，iq為d，q軸定子電流；Ld，Lq為d，q軸電感；ψf為磁鏈；ωr為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

對上式進行解耦，得機側(cè)變流器的控制方程：

(5)

(6)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機極對數(shù)；ψf為磁鏈。

圖2 機側(cè)變流器控制策略圖

1.4 模糊PID控制器

PID控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差能力較好，而模糊控制器控制精度比較低，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差能力相對較弱，兩者結(jié)合，能夠有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本文采用模糊PI控制方法控制風力發(fā)電系統(tǒng)速度外環(huán)，旨在取代傳統(tǒng)的PI控制，從而提高模糊控制的魯棒性。

該控制器以轉(zhuǎn)速的偏差e以及微分ec作為輸入變量，輸出變量是PI參數(shù)增量ΔKP和ΔKi，將經(jīng)過模糊控制器得到的增量與原有參數(shù)相加，從而在線實時調(diào)整 PI控制的參數(shù)。

1.4.1 隸屬度函數(shù)的確定

1.4.2 模糊控制規(guī)則

本文對直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)機側(cè)控制效果要求：當轉(zhuǎn)速偏差|e|較小，KP值取小，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，Ki值取稍大，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；當轉(zhuǎn)速偏差|e|略大，KP值取較小值，Ki值取適中，以防止超調(diào)過大；當轉(zhuǎn)速偏差|e|很大，KP值取較大值，以保證系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定，Ki值取極小，避免出現(xiàn)過大超調(diào)。

采用經(jīng)驗歸納法來確立模糊控制器的規(guī)則[5]，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 ΔKP模糊控制規(guī)則表

表3 ΔKi模糊控制規(guī)則表

1.4.3 去模糊化

去模糊化是模糊控制中重要的一部分，是將不精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)據(jù)。常用的去模糊化方法有加權(quán)平均法，最大隸屬度法和重心法。

本文去模糊化過程采用重心法，公式如下：

(7)

式中：xi為模糊輸出；μ(xi)為xi對應的隸屬度函數(shù)值；U為去模糊化后得到的精確值。

1.5 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器在d-q坐標系下的電壓方程[6]

(8)

式中：R為網(wǎng)側(cè)線路等效電阻；L為網(wǎng)側(cè)濾波等效電感；ud，uq為逆變器交流側(cè)電壓d，q軸分量；id，iq為網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量；ω為電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)電流角頻率；ed，eq為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量。

實施PI控制后的網(wǎng)側(cè)變流器電壓方程：

(9)

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略圖

2 仿真結(jié)果與分析

為驗證模糊PI控制器控制效果，本文搭建了永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，參數(shù)如表4所示。

表4 風電系統(tǒng)主要參數(shù)

本文為驗證控制策略在多種風速情況下的可行性，風速輸入選擇穩(wěn)定風速、漸變風速、階躍風速相結(jié)合方式。設置t=0～1.5 s 時，風速為7 m/s，1.5～2.4 s 時風速從7 m/s勻速上升到10 m/s，3.5 s時風速發(fā)生階躍，從10 m/s下降到8 m/s，仿真波形如圖4所示。

圖4 風速圖

圖5為PI與模糊PI控制器得到的功率對比曲線圖。由圖5可知，在給定穩(wěn)定風速時，PI與模糊PI控制都能快速反應，響應速度為0.35 s。當風速逐漸升高時，風機輸出功率隨風速變化而變化。在3.5 s時，風速發(fā)生階躍，從10 m/s到8 m/s時，模糊PI控制超調(diào)量更低。

圖5 模糊PI與PI輸出功率對比圖

圖6為轉(zhuǎn)速對比曲線圖。曲線結(jié)果表明，在風機開始運行和風速發(fā)生階躍時，模糊PI控制下的發(fā)電機轉(zhuǎn)速能更快達到額定轉(zhuǎn)速，超調(diào)量更低，更好地跟蹤參考轉(zhuǎn)速。

圖6 模糊PI與PI轉(zhuǎn)速跟蹤圖

圖7為PI與模糊PI控制器得到的直流母線電壓對比曲線圖。從仿真曲線放大圖可以看出，在風速發(fā)生階躍時，直流母線電壓發(fā)生變化，但模糊PI控制下電壓變化超調(diào)量更低。

圖7 模糊PI與PI直流母線電壓對比圖

3 結(jié) 語

針對雙 PWM 變流器的永磁直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，本文采用變步長爬山搜索法實現(xiàn)MPPT控制；機側(cè)、網(wǎng)側(cè)均采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)根據(jù)控制對象，機側(cè)轉(zhuǎn)速為外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓為外環(huán)。根據(jù)給定變化風速，系統(tǒng)在Simulink 中進行仿真，仿真波形證明在系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，模糊PI控制器具有優(yōu)越性和可靠性。