變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)變槳距自抗擾控制分析

張發(fā)，王虎成（中廣核風電內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古呼和浩特　010010）

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變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)變槳距自抗擾控制分析

張發(fā)，王虎成
（中廣核風電內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

摘要：變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)屬于高精度控制的系統(tǒng)，它呈現(xiàn)非線性的架構(gòu)，會受到風能及氣動效應(yīng)的干擾和影響，因而難于控制，使其輸出的電能質(zhì)量較差，需要對其進行控制分析，提高變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在運行區(qū)域內(nèi)的動態(tài)性能，要根據(jù)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制現(xiàn)狀，采用設(shè)計下的自抗擾控制技術(shù)，利用自抗擾控制器進行仿真分析，提高變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能及魯棒性。

關(guān)鍵詞：變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)；變槳距；自抗擾；控制

變速恒頻風力發(fā)電方式突破了傳統(tǒng)的同步運行的觀念，可以不受發(fā)電機輸出頻率的限制，實現(xiàn)連續(xù)的風速調(diào)控，從而提升機組的發(fā)電效能。由于風能是一種可再生的資源，在綠色、低碳的資源利用倡導(dǎo)之下，風力發(fā)電成為了人們普遍關(guān)注的熱點問題，如何利用好風力發(fā)電是目前的研究方向。

1　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中的變槳距自抗擾控制

在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)之中，采用雙饋式的風力發(fā)電系統(tǒng)是一種有效而適宜的方式，它采用自抗擾控制技術(shù)，根據(jù)變速恒頻風力發(fā)電的過程誤差狀況，進行大小和方向的調(diào)節(jié)和控制，并且呈現(xiàn)出強非線性的特點，它通過對非線性結(jié)構(gòu)的反饋調(diào)節(jié)控制，利用變漿距觀測器探測變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的變量以及干擾性影響，從而采用前饋補償?shù)姆绞郊右哉{(diào)節(jié)和控制。在這種控制技術(shù)之下，可以無須依賴調(diào)控對象的模型，只有簡單的算法模式即可以實現(xiàn)解耦控制和調(diào)節(jié)。

2　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在不同階段的自抗擾控制

（1）起動并網(wǎng)階段。在風力發(fā)電系統(tǒng)之中，當該系統(tǒng)還沒有向電網(wǎng)進行供電的情況之下，風速較低，在達到一定的切入速度之后，自抗擾控制系統(tǒng)則利用變槳距改變?nèi)~片節(jié)距角，實現(xiàn)對風速的調(diào)節(jié)，在這個控制過程中，要將自抗擾系統(tǒng)控制在恒定的范圍之內(nèi)，使其變化處于可控制、可調(diào)節(jié)的過程中，同時，還要在并網(wǎng)條件下實施并網(wǎng)操作，由于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)采用空載并網(wǎng)和負載交網(wǎng)兩種方式，在空載并網(wǎng)方式之下，由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，容易控制，因而可以通過自抗擾控制器技術(shù)，測量出電網(wǎng)的電壓和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并以此調(diào)節(jié)勵磁電流頻率、大小和方向等。在起動階段，可以將矢量控制技術(shù)與自抗擾控制器技術(shù)相結(jié)合進行使用，實現(xiàn)空載并網(wǎng)控制，這種新型的并網(wǎng)控制策略可以無須建立精準的數(shù)學模型，它利用其內(nèi)部的擴張狀態(tài)觀測器，即可以實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)外擾動，具有極強的無超調(diào)、快速性和魯棒性的特征，實現(xiàn)良好地動態(tài)性能。

（2）最優(yōu)功率跟蹤階段。在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)功率跟蹤階段，可以將穩(wěn)定、優(yōu)良的風能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)風能向電能的轉(zhuǎn)化，在這個控制系統(tǒng)之中，要根據(jù)風速的變化狀態(tài)，連續(xù)地調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，以獲取最大程度的風能吸收和利用。在這個階段中，利用變槳距的非線性控制器，可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的完全解耦，在有效的控制之下，最大限度地捕獲風能，并且根據(jù)電網(wǎng)的需求，產(chǎn)生一定的無功功率，從而滿足電網(wǎng)的需求。在最優(yōu)功率跟蹤的階段，可以跟蹤風輪的最佳轉(zhuǎn)矩速度曲線，在獨立的狀態(tài)下，利用非線性反饋控制規(guī)律實施補償，最大程度地捕獲風能，瞬間實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)，并可以穩(wěn)定脆弱電網(wǎng)，對于波動的電網(wǎng)電壓有較強地抑制能力。

（3）恒功率輸出階段。在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的高風速狀態(tài)之下，可以通過變槳距，調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角，調(diào)節(jié)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的功率，使其穩(wěn)定在額定值的安全范圍之內(nèi)，可以建立風機和變槳距機構(gòu)的模型，測量變速恒頻系統(tǒng)的狀態(tài)以及風速擾動狀況，再以狀態(tài)偏差為依據(jù)，配置變速恒頻系統(tǒng)的非線性結(jié)構(gòu)，達到抑制轉(zhuǎn)速偏差的問題。在這個過程中，可以采用高速浮點芯片作為核心控制器，在自抗擾控制系統(tǒng)的算法之下，實現(xiàn)對風力機槳距角的精準控制和調(diào)節(jié)，從而使變槳距控制器在良好地動態(tài)響應(yīng)功能之下，保障變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

3　變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

相關(guān)的仿真參數(shù)為：額定功率為PN=1.5MW，額定風速V=12m/s，最大風能利用系統(tǒng)為Cpmax=0.44，風速為12m/s以下時，槳距角為0°，最大風能利用系數(shù)基本保持恒定狀態(tài)，在最優(yōu)葉尖比變速運行的狀態(tài)下，可以實現(xiàn)風能的最大功率追蹤。當風速為12m/s之下時，槳距角、葉尖速比則會發(fā)生變化，風能利用系統(tǒng)會下降，可以適當改變自抗擾系統(tǒng)的控制參數(shù)，選取最大范圍內(nèi)的有效控制參數(shù)，實現(xiàn)有效控制。

4　結(jié)語

綜上所述，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)要以風力發(fā)電機組的性能為前提，要基于風力發(fā)電機組的動態(tài)模型，進行自抗擾控制系統(tǒng)的設(shè)計，要注重不同階段下的自抗擾控制技術(shù)運用，并且當風電機組的轉(zhuǎn)速低于額定風速時，要進行全程的跟蹤，最大程度地捕獲風能，當風電機組的轉(zhuǎn)速高于額定風速時，要通過變槳距測量進行調(diào)節(jié)，要調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，從而使風機轉(zhuǎn)速和功率值維持在恒定的范圍之內(nèi)，實現(xiàn)良好地動態(tài)控制。

參考文獻

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Immunity Control Analysis of Variable speed Constant Frequency Electric System Variable pitch

ZHANGg Fa，WANG Hu-cheng
（Inner Mongolia branch of CGNPC wind power CO.LTD.，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China）

Abstract:VSCF wind power generation system belongs to the high precision control system.It presents a nonlinear architecture，and is affected and interfered by wind and aerodynamic effect，so it is difficult to control.In order to improve dynamic performance of VSCF wind power generation system in the operation area，according to the current situation of VSCF wind power generation system，adopts the design of active disturbance rejection control technology，uses auto disturbances rejection controller （ADRC）to do simulation analysis to increase dynamic performance and robustness of VSCF wind power generation system.

Key words:variable speed constant frequency electric system；Variable pitch；immunity；control

中圖分類號：TM921.51

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0043-02

收稿日期：2016-04-27

作者簡介：張發(fā)（1986-），男，山西朔州人，大學本科，助理工程師，主要研究方向：電氣工程、電力系統(tǒng)。