基于自抗擾控制策略的直接轉(zhuǎn)矩風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

高 宇，張繼勇

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225100）

風(fēng)能作為一種可再生能源，其廣泛開(kāi)發(fā)利用能夠直接降低工業(yè)生產(chǎn)生活對(duì)于煤、石油等資源的依賴，解決來(lái)自化石能源的碳排放問(wèn)題[1]。風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能轉(zhuǎn)化的有效途徑，從20 世紀(jì)就開(kāi)始進(jìn)行研究，根據(jù)磁電能量的相互轉(zhuǎn)化，將電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)能到電能的改變已成為一種合理的途徑。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效率較高受到各大廠家和學(xué)者的追捧[2-3]，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程也因?yàn)槠浔姸嗟膬?yōu)勢(shì)助力能源市場(chǎng)發(fā)展得更加高效可靠。隨著電機(jī)控制算法的深入研究，電機(jī)控制中相關(guān)研究成果也逐步應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于矢量控制原理的電機(jī)控制結(jié)構(gòu)也發(fā)展得十分成熟，直接轉(zhuǎn)矩作為矢量控制的衍生，因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、控制參數(shù)少，且對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等諧波抑制較為優(yōu)良，但該控制策略與現(xiàn)有的電機(jī)控制結(jié)合仍然較為稀少，在風(fēng)電領(lǐng)域也亟需進(jìn)一步推廣應(yīng)用[4-6]。一些先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論研究更是可以和風(fēng)電相結(jié)合，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提升[7-10]，提高電能產(chǎn)生的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以適應(yīng)各種工況下的不同需求。

1 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)

永磁式直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成：風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)、機(jī)側(cè)變流器系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)，以及永磁同步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)同軸，利用風(fēng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)側(cè)整流器將最大功率跟蹤控制方法與電機(jī)常用的直接轉(zhuǎn)矩等控制結(jié)合，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終跟蹤最佳葉尖速比下的參考轉(zhuǎn)速，完成對(duì)風(fēng)能的有效利用。網(wǎng)側(cè)逆變器采用同樣雙環(huán)控制，一方面保持直流母線電壓的穩(wěn)定，另一方面維持系統(tǒng)功率因數(shù)在1 附近，使得電能能夠安全合理地并入電網(wǎng)。

風(fēng)力機(jī)是連接外界的自然風(fēng)和系統(tǒng)裝置內(nèi)部永磁同步發(fā)電機(jī)的重要橋梁，構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部存在著重要的電能變換過(guò)程。風(fēng)力機(jī)充分利用風(fēng)資源將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，結(jié)合PMSG 輸出最終所需的電能。整個(gè)過(guò)程和多種學(xué)科理論都具有關(guān)聯(lián)性，尤其是空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)。根據(jù)相關(guān)原理，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之間的關(guān)系為

式中：λ 為葉尖速比，通常存在一個(gè)最優(yōu)值使得電機(jī)轉(zhuǎn)速也同樣獲得最佳值；ν 為風(fēng)速；R為風(fēng)機(jī)葉輪的半徑；ω 為風(fēng)機(jī)的機(jī)械角速度。風(fēng)力機(jī)利用葉片收集風(fēng)能，其輸出的功率Pm和轉(zhuǎn)矩Tm可進(jìn)一步表達(dá)為

式中：ρ 為空氣密度，β 為葉片的槳距角，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)反映出系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的利用率的高低，常用風(fēng)輪的具體數(shù)值為

從式（3）中可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)Cp和葉尖速比、槳距角之間存在著一定的數(shù)量關(guān)系。通過(guò)改變?chǔ)?或λ 的大小，進(jìn)而改變Cp的大小，使得系統(tǒng)能夠在最佳狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)風(fēng)力機(jī)能夠最大程度地捕獲風(fēng)能，提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和運(yùn)行效率。根據(jù)式（3）在MATLAB 中建立邏輯算式，畫(huà)出在不同槳距角和葉尖速比條件下，式（3）所對(duì)應(yīng)的函數(shù)Cp曲線關(guān)系圖，如圖1 所示，在不同的槳距角條件下，風(fēng)能利用系數(shù)呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，隨著葉尖速增加先遞增后遞減，最大功率點(diǎn)只有一個(gè)。當(dāng)槳距角為0°且葉尖速比為8 時(shí)，風(fēng)力機(jī)存在最大的風(fēng)能利用系數(shù)為0.45，實(shí)際仿真和設(shè)計(jì)過(guò)程便可采用該參數(shù)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)模型的建立。

圖1 風(fēng)能利用系數(shù)曲線

2 永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

根據(jù)電機(jī)基本特性分析可知，永磁同步發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈方程為

式中：ud、uq、id、iq、ψd、ψq為永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓、電流、磁鏈，Rs為電機(jī)定子線圈電阻，ωe為電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子電角速度，ψf為永磁轉(zhuǎn)子磁鏈幅值。

永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)微分方程可描述為

矢量控制系統(tǒng)內(nèi)部最內(nèi)層環(huán)節(jié)便為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，只不過(guò)其以電流形式呈現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制則通過(guò)觀測(cè)環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩磁鏈?zhǔn)噶浚^而控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電子磁鏈的旋轉(zhuǎn)。定義轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的夾角為轉(zhuǎn)矩角，當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩角隨著定子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，保持恒定不變，可表示為

根據(jù)坐標(biāo)變換原理，對(duì)式（4）中磁鏈關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步改寫(xiě)

根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂圃砜芍?，ψx=ψs，ψy=0，則

系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可進(jìn)一步表示為

一般而言，常見(jiàn)的表貼式PMSG 定義dq軸系下的電感值相等，轉(zhuǎn)矩公式可進(jìn)一步化簡(jiǎn)成為

根據(jù)式（10）可知，當(dāng)永磁體磁鏈幅值維持恒定不變時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制可以利用改變?chǔ)?角和ψf來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Te的實(shí)時(shí)控制。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化該公式，永磁同步發(fā)電機(jī)通常默認(rèn)定子磁鏈也為恒定，在理想情況下，電磁轉(zhuǎn)矩只和轉(zhuǎn)矩角度相關(guān)，只需獲取轉(zhuǎn)矩角度便可實(shí)現(xiàn)對(duì)于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制。

3 自抗擾控制策略

實(shí)際的永磁同步發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)一些外在和內(nèi)在的因素，造成發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中的抖動(dòng)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的PI 控制并不能很好地消除這些干擾，為進(jìn)一步提升發(fā)電系統(tǒng)自身的調(diào)速性能和抗干擾性能，現(xiàn)提出將自抗擾控制策略加入系統(tǒng)速度環(huán)內(nèi)。自抗擾控制策略首先需要明確控制對(duì)象的基本數(shù)學(xué)模型，由式（5）可將永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行變形，構(gòu)造成標(biāo)準(zhǔn)的一階非線性系統(tǒng)，其方程可進(jìn)一步表示

式中：Te表示電磁轉(zhuǎn)矩，自抗擾控制講究將系統(tǒng)內(nèi)外所存在的干擾集合起來(lái)，d（t）為系統(tǒng)內(nèi)外集總擾動(dòng)，δ 為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)永磁同步發(fā)電機(jī)的一階模型建立線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器模型

式中：z1為x1的估計(jì)值，z2為系統(tǒng)總擾動(dòng)x2的估計(jì)值，β1、β2為系統(tǒng)增益參數(shù)。

由此可得，速度環(huán)自抗擾控制器整體可表示為

式中：k1是比例系數(shù)；ωm*是期望輸出。

4 仿真與分析

本文采用Matlab/Simulink 軟件對(duì)所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)力系統(tǒng)策略進(jìn)行分析和研究，通過(guò)對(duì)比PI和自抗擾控制下的直接轉(zhuǎn)矩發(fā)電系統(tǒng)在隨機(jī)風(fēng)下的功率跟蹤性能來(lái)驗(yàn)證該策略的可行性和抗干擾能力。表1 給出系統(tǒng)的仿真參數(shù)。

表1 風(fēng)力發(fā)電仿真參數(shù)

根據(jù)該仿真參數(shù)，建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)速模型和發(fā)電機(jī)控制基本模型，并將基本PI 控制的速度環(huán)替換成ADRC 控制，分別調(diào)節(jié)PI 和ADRC控制下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，對(duì)比二者在同一風(fēng)速模型下，系統(tǒng)對(duì)于最大功率點(diǎn)下轉(zhuǎn)速跟蹤性能。如圖2所示。

根據(jù)圖2 最大功率點(diǎn)下的速度給定跟蹤曲線所示，其中，Reference為參考輸入速度曲線，PI為PI 控制下的速度跟蹤曲線；ADRC為自抗擾控制策略下的速度跟蹤曲線。2 種控制策略都能夠根據(jù)理論計(jì)算的風(fēng)速模型曲線進(jìn)行總體趨勢(shì)上的跟蹤，PI 控制也充分展現(xiàn)其控制的穩(wěn)定性，在風(fēng)電領(lǐng)域也可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。進(jìn)一步分析跟蹤曲線發(fā)現(xiàn)，本文提出的自抗擾控制策略可以更好地跟蹤速度指令，超調(diào)和穩(wěn)態(tài)偏移量情況明顯優(yōu)于PI 控制下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)速突變的情況下，自抗擾控制下的風(fēng)電系統(tǒng)仍可跟蹤給定風(fēng)速曲線，不存在波動(dòng)情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電直接轉(zhuǎn)矩控制作為風(fēng)電系統(tǒng)一種較為新穎的控制策略，其逐步推廣和應(yīng)用將豐富風(fēng)電控制結(jié)構(gòu)。針對(duì)傳統(tǒng)PI 控制下系統(tǒng)跟蹤性能和抗干擾能力上的缺陷，引入自抗擾控制策略優(yōu)化整體的控制結(jié)構(gòu)，一方面提升系統(tǒng)跟蹤性能，讓風(fēng)電系統(tǒng)始終能以最大功率捕獲點(diǎn)狀態(tài)運(yùn)行，另一方面將系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)全部補(bǔ)償，進(jìn)而提升系統(tǒng)面對(duì)風(fēng)速突變的抗干擾性能。