基于內?？刂破鞯淖畲箫L能跟蹤控制研究

陳　建，任永峰，胡宏彬，韓俊飛，陶　軍(.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特00080；.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特0000)

基于內?？刂破鞯淖畲箫L能跟蹤控制研究

陳建1，任永峰1，胡宏彬2，韓俊飛2，陶軍2
(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080；2.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特010020)

采用基于定子側磁鏈定向的矢量控制策略來實現最大功率的跟蹤，該控制策略是基于功率外環電流內環的雙閉環控制方式。在雙閉環控制中使用了基于內模原理的控制器，并將基于內模控制的結果與傳統的PI控制的結果進行對比分析。仿真結果表明，基于內模原理的內模控制器(IMC)比PI控制器具有更強的補償時間滯后的能力，響應速度更快，更穩定，抗干擾的能力更強?；陔p饋式異步風電機組建立了仿真模型，給出了在PSCAD/EMTDC環境下的仿真結果。

最大功率跟蹤；雙閉環控制；內?？刂破鳎浑p饋式異步風電機組

隨著能源消耗急速增長，尋求可持續能源，減少二氧化碳等溫室氣體的排放量，是當今發展新能源的主要驅動力。而風能作為一種可替代的清潔型能源，其開發利用越來越受到重視[1]。為了充分利用風力資源，實現風能的最大化利用，要求風電場投入使用的風機具備最大功率跟蹤(MPPT)的能力。傳統的恒速恒頻風力發電系統雖然結構簡單，控制起來較為容易，但是轉速只能運行在同步轉速附近，當風速較大或較小時其風能利用率很低，造成了風能的極大浪費。而變速恒頻風力發電系統轉速范圍較大，可以分別運行在亞同步、同步、超同步三個狀態[2-3]。當風速低于額定風速時，它能根據風速的變化，在運行中保持最佳葉速比以獲得最大風能；當風速超過額定風速時，利用槳矩角的調節使得輸出功率保持恒定。因此變速恒頻風電系統得到了廣泛的應用。

國內外學者對DFIG型風電場最大功率跟蹤策略做了很多的研究。文獻[4-5]中采用了基于變步長擾動的MPPT控制原理。文獻[6]采用了轉速-最大功率曲線方法。文獻[7]采用了基于定子磁鏈定向的矢量控制技術來實現最大功率的跟蹤。目前使用基于定子磁鏈定向的矢量控制技術來實現最大功率跟蹤的研究很多。該控制策略是基于功率外環、電流內環的雙閉環控制方式，而且傳統的雙閉環控制大多采用的是PI控制器。本文采用了基于定子磁鏈定向的矢量控制策略來實現最大功率跟蹤，并在雙閉環控制中使用了基于內模原理的控制器。仿真結果表明基于內模原理的內模控制器(IMC)比PI控制器具有更強的補償時間滯后的能力，響應速度更快，抗干擾的能力更強，能更準確地實現最大功率的跟蹤。

1 風力機運行特性及最大功率跟蹤基本原理

1.1風力機運行特性

根據貝茨理論，把風電機組的電氣特性作為主要研究對象[8]，簡化的風力機數學模型為：

式中：Pw為風力機輸出功率；Cp(β,l)為風能利用系數；v為風速；R為葉片半徑；ρ為空氣密度。

式中：li=wTR/v為風機葉片的葉尖線速度與風速的比值，wT為風力機角轉速。根據不同的b、l取值，由式(2)計算得到的Cp(b,l)曲線如圖1所示。

圖1　風力機Cp－l曲線

當風速變化時，wT也會跟著變化以保證葉尖速比為最佳值。li=wTR/v代入式(1)得到風機輸出功率與風機角速度之間的關系表達式：

當l=lopt時，可得到風力機的最佳功率為：

1.2最大功率跟蹤基本原理

風力機輸出功率Pw與轉速ww之間存在對應關系。在任何一種風速下都存在一個最大功率點與最佳轉速相對應，而最大功率點的連線即為風力機功率的特性曲線Popt。因此只要風力機運行在該曲線上，就可以實現風力機的最大風能追蹤。

當風速變化時，通過控制DFIG輸出的有功功率來控制DFIG的電磁轉矩，間接地控制機組的轉速，使其保持最佳葉尖速比，從而實現最大風能的捕獲。

2 雙饋式異步發電機數學模型

DFIG具有雙饋能通道，其定子側直接與電網相連，轉子側連接相位、幅值、頻率均可調的三相勵磁電源，通過控制勵磁電源實現定子側恒壓恒頻電力輸出。

雙饋式發電機定、轉子均采用電動機慣例，其數學模型表示如下。

(1)電壓方程

定子電壓方程：

轉子電壓方程：

式中：uds、uqs、udr、uqr分別為定、轉子電壓的dq軸分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定、轉子電流的dq軸分量；ws=wl－wr為dq坐標系相對于轉子的電角速度，即轉差電角速度。

(2)磁鏈方程

定子磁鏈方程：

轉子磁鏈方程：

式中：Lm=3/2×Lms為dq坐標系同軸等效定子與轉子繞組間的互感；Ls=Lls+3/2×Lms為dq坐標系等效兩相定子繞組的自感；Lr=Llr+3/2×Lms為dq坐標系等效兩相轉子繞組的自感。

將磁鏈方程代入電壓方程，得到dq坐標系下的電壓-電流方程：

(3)轉矩方程和運動方程

變換到dq同步旋轉坐標系后，運動方程形式不變，電磁轉矩方程變為：

3 內?？刂频幕驹砑白畲蠊β矢櫩刂撇呗?/h2>

3.1內?？刂频幕驹?/p>

內?？刂剖且环N實用性比較強的控制方法。該控制方法具有很強的動態跟蹤性能，可以很好地消除各種干擾因素對系統的影響。該控制器不光設計結構較為簡單，而且控制參數也較為單一，同時該控制方法還不需要過分依賴被控制對象的數學模型。正因為如此，該控制方法在現代工業控制中得到了廣泛的應用。

如圖2所示，G(s)、M(s)、Q(s)分別為被控過程、被控過程的數學模型以及內?？刂破?，這是內?？刂频淖钪饕齻€部分。將圖2所示的內模控制結構進行等效簡化，可以得到圖3所示的控制結構。圖3中，C(s)可以用Q(s)和M(s)來表示：

或：

由此可以得到：

從上式可以看出，假如有G(s)=M(s)，且Q(s)M(s)=1，則有輸出等于輸入。這就意味著該控制系統能使輸出及時跟蹤輸入信號，且不受外界干擾的影響。但是在實際的工業控制過程中很難滿足G(s)=M(s)這一條件，這樣一來系統的穩定性就很難得到保證。為了解決這一問題，可以將內?？刂破鞯脑O計分為兩步來進行：

圖2　內?？刂平Y構框圖

圖3　內?？刂频刃Э驁D

(1)被控對象內模分解。將 M(s)分解成 M+(s)和 M_(s)，即M(s)=M+(s)M_(s)。式中：M_(s)代表最小相位部分，而M+(s)則代表含純時滯和右半平面零點部分。

(2)內?？刂破鞯脑O計。為了克服因數學模型不精確給系統帶來的影響，并獲取良好的動態響應，可通過引入低通濾波器F(s)，令：

低通濾波器的傳遞函數為：

在選擇g時，必須使Q(s)較容易實現而且還需要使Q(s)的分母的階次高于分子的階次。

從上述可以看出，內?？刂茖嶋H上就是利用內模控制器Q(s)將控制對象G(s)與模型M(s)之間的差值放大，然后選取合適的Q(s)，進而使控制系統性能能夠滿足實際的工業控制要求[9-12]。

3.2最大功率跟蹤控制策略

雙饋風力發電機并網運行時，采用的是轉子電流內環、定子輸出功率外環的雙閉環控制策略[13-14]。

雙饋風力發電機并網運行的雙閉環控制結構中，dq軸采用的是同一原理，所以只說明其中一個軸，其結構框圖如圖4所示。

圖4　雙閉環控制系統結構

(1)轉子電流反饋控制器的設計。從圖4中可得電流內環在忽略各擾動項的條件下，被控對象傳遞函數G(s)為：

如果被控對象與模型匹配，則有：

以上為最小相位系統，因此內模控制器可以設計為：

而低通濾波器傳遞函數可以設計為：

于是轉子電流反饋控制器傳遞函數為：

(2)忽略各種擾動項，功率反饋控制器的被控制對象傳遞函數為：

如果被控制對象與模型匹配，則有：

以上為最小相位系統，故內?？刂破骺梢栽O計為：

而低通濾波器傳遞函數可以設計為：

于是功率反饋控制器傳遞函數為：

從上述反饋控制器的設計中可知，電流內環只有低通濾波器參數k1，而當k1確定后，功率反饋控制器也就只有一個可調參數k2?？梢姡摽刂破鞑还庠O計結構較為簡單，而且控制參數也很單一。

通過上述分析可得雙饋風力發電機并網運行時的雙閉環內?？刂瓶驁D，如圖5所示。

圖5　最大功率跟蹤控制框圖

從圖5可以看出，在控制過程中首先將有功、無功功率給定值P*和Q*與實際值P和Q的差值通過內模控制器進行優化處理，并根據定、轉子之間的耦合關系得到轉子電流的給定值iqr*和idr*。然后將轉子電流的給定值iqr*和idr*與實際值iqr和idr的差值通過內?？刂破鬏敵觯玫睫D子電壓解耦項Uqr'和Udr'，接著將該解耦項與轉子電壓補償項Δuqr和Δudr疊加后便得到了轉子電壓給定值uqr*和udr*，最后經過坐標系的變換得到雙饋發電機轉子側三相電壓給定值 uar*、ubr*、ucr*。通過SVPWM控制來產生對轉子側變流器進行控制的脈沖，從而實現對雙饋式風力發電機最大功率的跟蹤控制，同時該控制方法還能實現有功、無功功率的解耦控制。

4 仿真實驗

本文基于PSCAD/EMTDC軟件建立了2 MW雙饋式異步風力發電系統模型，給出了分別基于PI控制器和內?？刂破鞯姆抡娼Y果，其中風速模型由基本風、陣風、漸變風以及噪聲風四部分構成。仿真模型從0.88 s開始實現并網。仿真參數如表1所示。

??????/V 　690 　????/pu 　0.012 1 ???????????? ????/MW 　2 　????/pu 　3.472??????? 　16 000 　T　/s 　0.000 4 ????/Hz 　50 　??????/s 　0.5 ????/pu 　0.010 8 　????k 　0.000 20 ????/pu 　3.464 　????k 　0.000 75

基于PI控制器的仿真結果如圖6、圖7所示。

基于內?？刂破鞯姆抡娼Y果如圖8、圖9所示。

5 結論

從仿真結果可以看出基于定子磁鏈定向的矢量控制策略，很好地實現了最大功率的跟蹤。將PI控制器的仿真結果與基于內?？刂频姆抡娼Y果對比分析可知，基于內模控制的仿真波形要更加平滑，震蕩更小。因此內模控制器比PI控制器表現出了更快的動態響應能力以及更強的抗干擾能力，從而更好地實現最大功率的跟蹤。采用內?？刂破飨碌碾姶呸D矩震蕩也小很多，這大大減小了對齒輪箱的損害，有利于減少風機故障的發生。

圖6　基于PI控制器的有功、無功功率曲線

圖7　基于PI控制器的電磁轉矩

圖8　基于內?？刂破鞯挠泄?、無功功率曲線

圖9　基于內模控制器的電磁轉矩

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Study of MPPT strategy of DFIG based on IMC

CHEN Jian1,REN Yong-feng1,HU Hong-bin2,HAN Jun-fei2,TAO Jun2
(1.Electric Power College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China; 2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

The stator flux oriented vector control strategy was used to realize MPPT,and the control strategy was based on power outer loop and current inner loop.PI controller was generally used by the Double loop control,but the IMC was used and the comparative analysis of the result between the PI control and internal model control was given.The simulation results indicate that the IMC is with more strong time delay compensation ability,more fast response speed,more stable and anti-jamming than PI controller.A simulation model of DFIG was built and simulation results on PSCAD/EMTDC platform were given.

MPPT;double-loop control;inner model controller;doubly-fed induction generator

TM 315

A

1002-087 X(2016)01-0166-03

2015-06-12

國家自然科學基金(51367012)；教育部新世紀優秀人才支持計劃 (NCET-11-1018)；內蒙古自治區自然科學基金(2011BS0903，2015MS0532)；內蒙古自治區“草原英才”工程資助(CYYC2013031)；風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室開放基金(201403)

陳建(1987—)，男，湖北省人，碩士，助教，主要研究方向為風力發電低電壓穿越。