袁曉玲，黃宇宙，易文杰，劉皓明

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市211100)

0 引言

隨著對風(fēng)能的開發(fā)利用，人們把視線逐漸投向了更具前景的海上風(fēng)電，在海上風(fēng)電的開發(fā)利用中，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對于雙饋異步發(fā)電機(jī)顯現(xiàn)出了其固有的優(yōu)勢［1-2］。但是實(shí)驗(yàn)室并不具備自然條件下的海上風(fēng)場環(huán)境，因此如何在實(shí)驗(yàn)室條件下對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬是必要的。目前有文獻(xiàn)探討了實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力機(jī)的模擬，但并沒有針對運(yùn)行于低速范圍內(nèi)的海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行特定研究［3］。實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力機(jī)模擬主要基于直流電機(jī)和異步電機(jī)，直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)異，但存在電刷和滑環(huán)且僅限于模擬小功率風(fēng)力機(jī)［4］。文獻(xiàn)［5］進(jìn)行了基于無刷直流電機(jī)的改進(jìn)，但電機(jī)本身及控制系統(tǒng)的復(fù)雜性限制了它的應(yīng)用?；诋惒诫姍C(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)主要采用高性能交流調(diào)速技術(shù)控制，其缺點(diǎn)是低速范圍內(nèi)的控制性能較差［6］。文獻(xiàn)［7］進(jìn)行了基于控制算法改進(jìn)的研究，但這并沒有從根本上改變模擬系統(tǒng)中電機(jī)參數(shù)變化的缺點(diǎn)，使其并不能很好地適用于低速運(yùn)行的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

為適應(yīng)低轉(zhuǎn)速的海上永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)，本文采用基于定子磁鏈自適應(yīng)觀測器和定子電阻在線辨識改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在保留直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制簡單、響應(yīng)迅速、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)改善其在低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點(diǎn)。

1 風(fēng)力機(jī)模型及其運(yùn)行特性

風(fēng)力機(jī)是捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。本文的風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型采用基于Betz理論建立的風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)模型機(jī)［8］，其輸出轉(zhuǎn)矩如式(1):

式中:ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;R為葉片半徑;CT=Cp/λ，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，λ為葉尖速比，如式(2):

式中:C1=0.5176，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068;空氣密度ρ=1.224 kg/m3，β為槳距角，為簡化起見，本文采用定槳距系統(tǒng)，β=0。

圖1 風(fēng)力機(jī)t－ω曲線Fig.1 t－ω curves of wind turbine

2 改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)產(chǎn)生PWM波信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)省去了復(fù)雜的矢量變換與電機(jī)數(shù)學(xué)模型簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接。但由于系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器以及定子電阻隨電機(jī)溫度變化導(dǎo)致直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動大。

本文基于全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器和定子電阻在線辨識，降低直接轉(zhuǎn)矩控制低速時(shí)的脈動。

2.1 全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器

傳統(tǒng)的磁鏈觀測模型為U-n，I-n或者U-I等開環(huán)估計(jì)模型［9］，但是在低速范圍內(nèi)，由于定子電阻壓降的影響，3種磁鏈觀測模型都不能準(zhǔn)確地對電機(jī)磁鏈進(jìn)行精確觀測，甚至不能正常工作，因此有必要對其進(jìn)行改進(jìn)。本文采用閉環(huán)自適應(yīng)觀測器建立全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測模型。兩相靜止坐標(biāo)系下，以X=為狀態(tài)變量的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為

以實(shí)際電流is和觀測電流的差值構(gòu)成自適應(yīng)校正項(xiàng)，則有［10］:

MDEA溶液吸收性能評價(jià)裝置主要由溶液吸收解吸系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、在線分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，溶液吸收解吸系統(tǒng)的有效容積為300 m L，內(nèi)置磁力攪拌器和鼓泡吸收管，利用溫度控制系統(tǒng)對其溫度進(jìn)行控制，控溫范圍為5～250℃，恒溫波動不大于0.05℃，通過前、后背壓閥控制其壓力，控壓范圍為0～10 MPa，精度可達(dá)±0.1 MPa。分別將PT100型溫度變送器、3051TA型壓力變送器、LXI-B型氣體流量計(jì)以及EC9820型二氧化碳在線分析儀、EC9852型硫化氫在線分析儀經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)相連，對整個裝置的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整。

根據(jù)式(5)得全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測模型如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)定子磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Observer structure of adaptive full-order stator flux

2.2 定子電阻在線辨識

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子電阻不是固定的，其阻值會隨著電機(jī)溫度的變化而呈現(xiàn)非線性變化，極端情況甚至能夠達(dá)到靜態(tài)值的1.49倍［11］。同時(shí)，電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)會受電機(jī)本身參數(shù)變化的影響，相對于其他參數(shù)，定子電阻變化是影響電機(jī)運(yùn)行的主要因素，并且轉(zhuǎn)速越低影響越大，因此有必要對其進(jìn)行在線辨識［12］。

在電機(jī)靜態(tài)參數(shù)已知的情況下，把電機(jī)動態(tài)的定子電阻當(dāng)作未知變量進(jìn)行在線辨識，由于電機(jī)的參數(shù)變化時(shí)間遠(yuǎn)大于電磁時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速變化，因此利用系統(tǒng)的狀態(tài)誤差方程和Lyapunov穩(wěn)定性理論，可以推導(dǎo)出定子電阻在線辨識的系統(tǒng)解［13］。根據(jù)式(3)和(5)的差可得狀態(tài)誤差方程如式(6):

式中:η＞0為正常數(shù)。對上式求導(dǎo)并代入式(6)得:

要使觀測器穩(wěn)定，在合理選取增益矩陣K使得式(8)右端第一項(xiàng)為負(fù)的情況下使后2項(xiàng)之和為0，使式(8)為負(fù)定，即:

整理得:

式中Ki為積分系數(shù)，且Ki≤0。

3 仿真分析

3.1 仿真結(jié)構(gòu)圖

用異步電機(jī)模擬海上風(fēng)力機(jī)，實(shí)際就是在已知風(fēng)速的情況下，由異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模擬風(fēng)力機(jī)的T－ω特性，使其隨著風(fēng)速和給定葉尖速比的不同而平滑、快速、精確、穩(wěn)定地移動于各條特性曲線上。因此，把風(fēng)速和反饋的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速作為風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型的輸入信號，其輸出的轉(zhuǎn)矩信號作為電機(jī)的控制信號接入直接轉(zhuǎn)矩控制模塊，圖3為基于改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制的海上風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制海上風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Simulation system structure of offshore wind turbine based on improved direct torque control

異步電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩［14］為:

式中:λ*為給定的風(fēng)力機(jī)葉尖速比;為給定葉尖速比下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)圖3和式(11)，建立風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)仿真模型如圖4。

圖4 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Simulation system of wind turbine

3.2 改進(jìn)系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4所示的海上風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)仿真中，設(shè)給定風(fēng)速和給定葉尖速比分別為6 m/s和λopt=8.4，隨著轉(zhuǎn)速的上升，風(fēng)力機(jī)最終穩(wěn)定在圖1所示的A點(diǎn)(ω =147 r/min，T=32.5 N·m)。

(1)自然條件下，風(fēng)速不會固定不變，設(shè)風(fēng)速由6 m/s上升為8 m/s，電機(jī)重新穩(wěn)定運(yùn)行于B點(diǎn)(ω=195.8 r/min，T=57.5 N·m)，仿真結(jié)果如圖5(a)所示。

(2)若給定風(fēng)速不變，給定葉尖速比由λopt=8.4上升為λ2=12，此時(shí)風(fēng)力機(jī)由A點(diǎn)變化到C點(diǎn)(ω =209 r/min，T=26.4 N·m)穩(wěn)定運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 改進(jìn)后海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化情況Fig.5 Torque and speed changes of offshore wind turbine after inproved

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速和葉尖速比已知時(shí)，模擬風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)輸出特性曲線上，且能夠隨著風(fēng)速和給定葉尖速比的變化而迅速變化，響應(yīng)時(shí)間短，與圖1所示的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化吻合，由此可知，基于改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機(jī)有效地模擬了實(shí)際海上風(fēng)力機(jī)輸出特性。

3.3 仿真結(jié)果對比與分析

基于永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)主要運(yùn)行于低速范圍內(nèi)，因此以A點(diǎn)為例，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)，且設(shè)極端情況下定子電阻由1.824 Ω升高到2.75 Ω時(shí)，改進(jìn)前后定子電流、輸出轉(zhuǎn)矩波動和磁鏈跟蹤結(jié)果如圖6。

圖6 定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩Fig.6 Stator currents and output torque fluctuations

由圖6可知，改進(jìn)前后定子電流波動分別達(dá)到了±1.5 A和±0.5 A，可見改進(jìn)后精度提高了66.7%，波動明顯減小;改進(jìn)前后輸出轉(zhuǎn)矩波動分別為±7 N·m和±1 N·m，相對誤差由21.5%提高到了3.1%。由此可見，基于全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在低速范圍內(nèi)電機(jī)的定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩波動有了明顯的改善，因此更適合應(yīng)用于低速運(yùn)行的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)中。

圖7對比了改進(jìn)前后定子電阻變化時(shí)的電機(jī)磁鏈觀測器的觀測結(jié)果，圖7(a)為無定子電阻在線辨識情況下，電機(jī)定子磁鏈給定值為0.8 Wb，但實(shí)際測量值為0.56 Wb，誤差達(dá)到30%;圖7(b)為基于定子電阻在線辨識改進(jìn)后，電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定在0.82 Wb，誤差為2.5%。

圖8顯示了改進(jìn)前直接轉(zhuǎn)矩控制因定子電阻變化而產(chǎn)生的影響，與圖5對比可知，由定子電阻改變而引起的磁鏈觀測誤差(如圖7(a)所示)使得風(fēng)速增大時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速并不增大，完全偏離如圖1所示的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化，最終導(dǎo)致控制失敗，結(jié)果如圖8(a)所示;當(dāng)葉尖速比改變時(shí)雖然控制成功，但也引起了轉(zhuǎn)矩波動的進(jìn)一步加大，如圖8(b)所示，由波動±1 N·m變?yōu)椤? N·m。對比分析可見，相對于傳統(tǒng)無定子電阻在線辨識改進(jìn)的系統(tǒng)，異步電機(jī)控制系統(tǒng)受定子電阻變化的影響明顯減小，從而使系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)，能夠更精確的跟蹤磁鏈變化，控制性能明顯改善。

圖7 磁鏈觀測曲線Fig.7 Observed flux curve

圖8 海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)無定子電阻辨識的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化Fig.8 Torque and speed changes of offshore wind turbine without stator resistance observer

4 結(jié)語

本文分析了風(fēng)力機(jī)的輸出特性，采用異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)力機(jī)模擬控制?；谌A自適應(yīng)磁鏈觀測器和定子電阻在線辨識改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，有效地減小了系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩和電流脈動，使之更適用于低速轉(zhuǎn)動的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。在改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)基礎(chǔ)上，利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺搭建了風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，模擬了風(fēng)力機(jī)的輸出t－ω特性曲線。仿真結(jié)果表明基于改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，并且有效跟蹤了不同風(fēng)速和葉尖速比情況下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化，為海上風(fēng)力機(jī)控制提供了模擬實(shí)驗(yàn)控制基礎(chǔ)。

［1］薛玉石，韓力，李輝.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(4):1-5.

［2］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)其技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):64-72.

［3］辛付龍，張建華，王健.海上風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)速和風(fēng)輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩［J］.大電機(jī)技術(shù)，2011，5(3):15-19.

［4］王前雙，胡育文，黃文新.風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)綜述［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(3):1-6.

［5］李吉晨，周波，薛峰.基于無刷直流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬特性［J］.電力自動化設(shè)備，2012，32(10):17-21.

［6］趙梅花，阮毅，沈陽，等.基于風(fēng)機(jī)特性模擬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(3):51-56.

［7］王新新，惠晶.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DTC的風(fēng)力機(jī)特性模擬［J］.電力電子技術(shù)，2011，45(9):49-51.

［8］劉鈺山，葛寶明，畢大強(qiáng)，等.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(18):140-144.

［9］王成元，夏加寬，楊俊友，等.電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:198-208.

［10］廖永衡，馮曉云，王珍.基于定子磁鏈滑模觀測器的異步電機(jī)空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(18):88-97.

［11］王紅梅，阮毅，徐靜.定子電阻變化對異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)性能的擾動分析［J］.電氣傳動自動化，2004，26(1):14-17.

［12］黃志武.無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略的研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2006.

［13］奚國華，沈紅平，喻壽益，等.基于全階狀態(tài)觀測器的無速度傳感器 DTC 系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2008，38(7):22-25.

［14］王超，黃文新，王前雙.基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(6):7-9.