基于增益調(diào)度比例積分的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲控制策略

陳健　陳麗兵　周浩

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所捕獲的風(fēng)能隨風(fēng)速的改變而變化。實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲是現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一。本文在最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了增益調(diào)度比例積分控制來實(shí)現(xiàn)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲。通過控制永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電流跟蹤其參考值，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。所采用的的控制策略不需要知道風(fēng)速，可以省去風(fēng)速儀裝置。本文將通過Matlab/Simulink仿真測(cè)試來驗(yàn)證所提出控制策略的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;最大功率追蹤;永磁同步發(fā)電機(jī);增益調(diào)度比例積分

中圖分類號(hào)： TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.001

Maximum Wind Energy Capture Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous Wind Power Generation System Based on Gain-Scheduling Proportional-Integral

CHEN Jian1 CHEN Li-bing1 ZHOU Hao2

（1.School of Electrical Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng Jiangsu 224051， China;

2.CQC New Energy Technology School， Nanjing College of Information Technology， Nanjing Jiangsu 210023， China）

【Abstract】The wind energy captured by a wind power system changes with wind speed. Achieving maximum wind energy capture is one of the main goals for modern variable-speed constant-frequency wind power generation system. Based on the optimal torque control strategy， the gain-scheduling proportional-integral control is designed to achieve the maximum wind energy capture of permanent magnet synchronous wind power generation system. The maximum wind energy is captured by controlling the stator currents of the permanent magnet synchronous generator to track their reference values， respectively. The adopted control strategy does not need to know wind speed， which can eliminate the anemometer device. This paper will verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy through Matlab/Simulink simulation test.

【Key words】Wind power generation;Maximum power tracking;Permanent magnet synchronous generator（PMSG）;Gain-scheduling proportional-integral（GSPI）

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)和日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，可再生能源受到了越來越多的關(guān)注，比如：太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺艿取Ｆ渲校L(fēng)能因具備清潔和安全等優(yōu)勢(shì)已成長(zhǎng)為增長(zhǎng)最快且最有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生資源。在早期的風(fēng)電市場(chǎng)中，定速定槳距風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要變流器，但缺點(diǎn)是效率較低、靠葉片氣動(dòng)特性和葉尖擾流器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、有的配置單獨(dú)的啟動(dòng)設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變流器被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，幫助風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了變速恒頻的目標(biāo)。同時(shí)隨著風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，槳距角可以進(jìn)行改變。現(xiàn)在的風(fēng)電市場(chǎng)廣泛采用這種變槳變速的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組。這種風(fēng)電機(jī)組不僅可以在低于額定風(fēng)速的工況下實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，而且可以在高于額定風(fēng)速的工況下通過對(duì)槳距角的控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的限制。風(fēng)電場(chǎng)所采用的的變速變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩類：永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中，永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有自勵(lì)、低噪聲、無齒輪箱、高扭矩等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

如圖1所示，永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變流器、直流電容C、電網(wǎng)側(cè)變流器、變壓器和理想電網(wǎng)。通過變流器之間的直流母線電壓環(huán)節(jié)解耦了永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的控制。可以通過控制變流器分別來調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出功率和輸送到電網(wǎng)的有功功率。本文主要研究電機(jī)側(cè)，通過對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電流的控制來捕獲最大風(fēng)能。基于PID的矢量控制常被應(yīng)用于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制，主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有解耦有功/無功功率的能力[3-4]。然而，基于比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative， PID）的矢量控制不能夠?yàn)橛来磐斤L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供滿意的暫態(tài)響應(yīng)。這一現(xiàn)象主要原因：基于PID的矢量控制器的參數(shù)是基于某一運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)會(huì)隨著風(fēng)速的變化而變化，運(yùn)行點(diǎn)的變化會(huì)影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)[5-6]。為了提高永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，增益調(diào)度比例積分控制（Gain-Scheduling Proportional-Integral， GSPI）算法已經(jīng)被提出。在不同的風(fēng)速劃分去區(qū)域中，增益調(diào)度比例積分控制可以通過調(diào)整控制參數(shù)使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲取令人滿意的動(dòng)態(tài)性能。

1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

1.1 風(fēng)機(jī)模型

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)矩方程可以表示為：

式中，Vd，q是定子電壓在d-q軸上的分量，id，q是定子電流在d-q軸上的分量，Rs是定子電阻，Ld，q是d-q軸上的電感，ωe=pωm是電磁轉(zhuǎn)速，p是發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Te是電磁轉(zhuǎn)矩，Tm是機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

2 基于增益調(diào)度比例積分的最大風(fēng)能捕獲控制策略

本文目的是通過基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的增益調(diào)度比列積分控制來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。在不同的風(fēng)速下，存在唯一的最大風(fēng)能可以被風(fēng)力機(jī)捕獲。由于風(fēng)速的時(shí)變性，因此風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速ωm需要被控制來獲取最大風(fēng)能。最大功率Pmax關(guān)于機(jī)械轉(zhuǎn)速ωm的函數(shù)表達(dá)式如下：

由于id的參考值id_ref等于0，根據(jù)表達(dá)式（8）q軸上定子電流的參考值可以被定義為：

當(dāng)葉尖速比λ≥λopt時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp≤Cp_max，然后 ≤0，機(jī)械轉(zhuǎn)速降低直至ωm達(dá)到其最優(yōu)值ωm_opt，此時(shí)λ=λopt。當(dāng)葉尖速比時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp≤Cp_max，然后 ≥0，機(jī)械轉(zhuǎn)速增速直至ωm達(dá)到其最優(yōu)值ωm_opt，此時(shí)λ=λopt。

為更好地表達(dá)所提出的基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的增益調(diào)度比列積分控制，其控制框圖如下。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真測(cè)試。從仿真結(jié)果圖3-5所示，當(dāng)風(fēng)速不斷變化時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)幾乎可以保持在其最優(yōu)值，從而可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取最大風(fēng)能。

4 結(jié)論

本文對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用了基于增益調(diào)度比例積分的最大風(fēng)能捕獲控制策略。在該控制策略下，進(jìn)行了階躍風(fēng)速的仿真測(cè)試。仿真結(jié)果顯示在所提出的控制策略下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅可以獲得最大風(fēng)能，而且還能保持良好的動(dòng)態(tài)性能。

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