黃　曌， 程江洲， 萬鈞力(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制研究

黃曌， 程江洲， 萬鈞力
(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

以8/6極開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(SRG)為例，基于電機(jī)的非線性特性提出一種基于模糊PI控制器的改進(jìn)型轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)畲蠊β矢櫜呗裕和ㄟ^SRG轉(zhuǎn)速及其變化率，確定模糊規(guī)則自行整定PI參數(shù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，控制電機(jī)輸出功率，使系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工作點(diǎn)。在Matlab平臺(tái)上搭建基于最大功率跟蹤策略的SRG系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明：外界風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)，SRG轉(zhuǎn)速和輸出功率均可平穩(wěn)保持在理論最佳值；風(fēng)速變化時(shí)，SRG系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)，具備良好的動(dòng)靜態(tài)性能，驗(yàn)證了SRG仿真模型的正確性和控制策略的可靠性。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；最大功率跟蹤；勵(lì)磁電流；轉(zhuǎn)速反饋

隨著風(fēng)能的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)也取得了顯著的進(jìn)步，并逐漸成為能源技術(shù)中的一個(gè)重要分支[1-2]。風(fēng)力發(fā)電面臨的主要問題之一是風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率的不確定性，隨外界風(fēng)速變化而變化，因此系統(tǒng)必須包括風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)的控制部分，從而在實(shí)時(shí)工況下達(dá)到所希望的最優(yōu)值，提高發(fā)電效率。由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(SRG)優(yōu)良的調(diào)速性能、較強(qiáng)的容錯(cuò)能力與自勵(lì)能力等優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r(jià)值[3-4]。SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，一是SRG的發(fā)電運(yùn)行控制：通過檢測(cè)SRG電流、電壓及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制功率變換器中主開關(guān)器件的通斷；二是MPPT控制，通過合適的自尋優(yōu)算法，完成SRG與風(fēng)輪機(jī)的功率匹配，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖1　開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來，最大風(fēng)能跟蹤的控制策略主要有風(fēng)速跟蹤控制、轉(zhuǎn)速反饋控制和功率擾動(dòng)控制[5-6]。其中風(fēng)速跟蹤控制需要測(cè)量風(fēng)速，功率擾動(dòng)控制則需要較長的調(diào)節(jié)時(shí)間，均會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，相比較而言，轉(zhuǎn)速反饋控制簡單易行，在小功率的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合得到廣泛的關(guān)注，但其單一的PI調(diào)節(jié)不能良好地適應(yīng)SRG本身的非線性特性[7]。綜合考慮以上三種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的需求，本文在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出模糊PI控制方案，通過SRG實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速反饋與給定值比較，并結(jié)合轉(zhuǎn)速的變化情況，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，驅(qū)使SRG輸出功率不斷跟蹤匹配值，從而改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，最終系統(tǒng)達(dá)到平衡，并穩(wěn)定運(yùn)行于最佳工作點(diǎn)。完整的仿真研究驗(yàn)證了控制策略的可行性與有效性。

1 MPPT控制算法

1.1風(fēng)力機(jī)最大功率捕獲機(jī)理

設(shè)ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，R為風(fēng)力機(jī)半徑，風(fēng)機(jī)掃掠面積A=πR2，λ為葉尖速比，β為槳葉節(jié)距角，由貝茲定理風(fēng)機(jī)得輸出機(jī)械功率Pm[8-9]：

式中：葉尖速比λ=ωmR/v，ωm為風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，由λ，β決定其值。當(dāng)槳葉節(jié)距角β恒定時(shí)，Cp隨λ變化，且有一個(gè)確定的最佳葉尖速比λopt對(duì)應(yīng)最大的風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，此時(shí)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大輸出功率點(diǎn)Pmax處。

風(fēng)力機(jī)的特性曲線如圖2所示[10]。由圖2知，當(dāng)風(fēng)速固定時(shí)，風(fēng)力機(jī)只有在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行才能輸出最大功率Pmax，此轉(zhuǎn)速同時(shí)也對(duì)應(yīng)該風(fēng)速下的最佳葉尖速比λopt和最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，偏離此點(diǎn)風(fēng)力機(jī)輸出功率將會(huì)減小。連接各風(fēng)速對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)即得最佳功率曲線。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)若及時(shí)調(diào)整風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比，就能使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳功率曲線上；又因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωm通過齒輪箱與電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr成線性關(guān)系，因此控制SRG轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)。

圖2　風(fēng)力機(jī)特性曲線

1.2SRG風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

圖3　SRG控制系統(tǒng)框圖

如前所述，SRG的控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行控制和MPPT控制功能。為簡單起見，SRG本體采用最為普遍的電流斬波控制方式(CCC)，通過相繞組電流iph與勵(lì)磁電流的斬波閾值比較，產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)以控制功率變換器橋臂主開關(guān)的開通與關(guān)斷；風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td作用于SRG上，影響著電機(jī)角速度ωr，勵(lì)磁電流則由MPPT控制部分根據(jù)ωr及其變化量Δωr進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖3所示。轉(zhuǎn)速參考值ωr*由實(shí)時(shí)風(fēng)速確定。

首先MPPT計(jì)算最優(yōu)工作點(diǎn)，將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋支路的給定值，λopt和Cpmax值確定的條件下，該給定值僅由當(dāng)前風(fēng)速?zèng)Q定：

由式(2)則可計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的最大機(jī)械功率：

將SRG轉(zhuǎn)速ωr與給定值ωr*相比較，并結(jié)合ωr的變化情況調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，通過電流斬波控制，勵(lì)磁電流變化引起SRG輸出功率P1變化，繼而引起電磁轉(zhuǎn)矩Te變化，在Te和風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td共同作用下，ωr變化，并通過反饋再次與給定值進(jìn)行比較，改變勵(lì)磁電流，不斷重復(fù)直至達(dá)到最佳工作點(diǎn)后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3控制規(guī)則的建立

由圖2可知，如果檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速等于參考值，說明當(dāng)前運(yùn)行在最優(yōu)工作點(diǎn)處，勵(lì)磁電流維持原值。如果檢測(cè)到的ωr小于參考值，則工作點(diǎn)位于I區(qū)，即最大功率點(diǎn)左側(cè)，此時(shí)需要增大轉(zhuǎn)速，以跟蹤最大功率點(diǎn)：若此時(shí)Δωr大于0，工作點(diǎn)沿著路徑1的方向靠近最優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)速增大，說明風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率大于SRG輸出功率，為達(dá)到功率匹配應(yīng)增大P1，因此需增大勵(lì)磁電流；若此時(shí)Δωr小于0，工作點(diǎn)沿著路徑3的方向遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，轉(zhuǎn)速減小說明風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率小于SRG輸出功率，為達(dá)到功率匹配應(yīng)減小P1，故需減小勵(lì)磁電流[11]。

同理當(dāng)檢測(cè)到的ωr大于給定值，則工作點(diǎn)位于П區(qū)，需要減小電機(jī)轉(zhuǎn)速。若此時(shí)Δωr大于0，即工作點(diǎn)沿著路徑4的方向遠(yuǎn)離最優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)速增大，說明風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率大于SRG輸出功率，因此需增大勵(lì)磁電流；若此時(shí)Δωr小于0，工作點(diǎn)沿著路徑2的方向靠近最大功率點(diǎn)，轉(zhuǎn)速減小說明風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率小于SRG輸出功率，跟蹤最優(yōu)點(diǎn)還需進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)增大勵(lì)磁電流提高SRG輸出功率。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋控制方案中，一般根據(jù)外界環(huán)境以及風(fēng)輪機(jī)特征參數(shù)計(jì)算出給定參考值，并與電機(jī)的觀測(cè)值相比較得到誤差量，通過簡單的PI調(diào)節(jié)器給出勵(lì)磁電流的值。考慮到SRG非線性，同時(shí)為了避免風(fēng)速突變引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，本文采用改進(jìn)型的轉(zhuǎn)速反饋方案，選用二維模糊PI控制器，跟隨工況變化自動(dòng)整定PI調(diào)節(jié)器的KP、KI參數(shù)值，進(jìn)而調(diào)整勵(lì)磁電流的步長。選擇ωr及其變化量Δωr作為模糊控制器的輸入，KP、KI參數(shù)作為模糊控制器的輸出。按設(shè)計(jì)需要，將ωr、Δωr的論域分別表示為如下等級(jí)的模糊語言變量：{B，M，S，Z}，{NB，NM，S，PM，PB}，其隸屬度函數(shù)如圖4所示。

假設(shè)系統(tǒng)已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速上升時(shí)，SRG轉(zhuǎn)速上升，功率差正向增大，此時(shí)取較大的KP和KI，允許轉(zhuǎn)速有一定超調(diào)；當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，取更大的KP和KI，避免轉(zhuǎn)速下降幅度過大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)堵轉(zhuǎn)；當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，為了避免在最佳功率點(diǎn)處來回振蕩，取較小的KP和KI。由上述控制思路，確定模糊規(guī)則如表1、表2所示[12]。

解模糊過程采用重心法，得到模糊邏輯控制器輸出的PI參數(shù)值，計(jì)算公式如下：

圖4　模糊控制器輸入量的隸屬度函數(shù)

?????KEK N B 　B 　B 　B 　B N M 　M 　M 　B 　B S 　S 　S 　M 　B P M 　S 　M 　M 　M P B 　B 　M 　M 　B E C

? ? ? ?? K K N B 　B 　M 　M 　BNM 　M 　M 　B 　BS 　Z 　S 　M 　MP M 　S 　M 　M 　M P B 　M 　S 　S 　M E C E

由于SRG本身所具有的非線性，僅依靠傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制中簡單的PI調(diào)節(jié)并不能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性。本文采用了改進(jìn)型的轉(zhuǎn)速反饋控制，同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速及其變化率的判別，自動(dòng)調(diào)節(jié)PI參數(shù)完成自尋優(yōu)過程。該方法具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能避免功率控制中的較大擾動(dòng)，而且簡單易行，不必知道整個(gè)系統(tǒng)精確模型，減少了設(shè)計(jì)難度。

2 仿真研究

分析SRG的數(shù)學(xué)模型，由前文所述MPPT算法，在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究，相關(guān)參數(shù)如下：風(fēng)力機(jī)半徑R=2 m，最佳葉尖速比λopt=6，槳葉節(jié)距角β=0°，最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax=0.36，空氣密度ρ=1.25 kg/m3，發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪機(jī)軸間通過增速比N=10的變速齒輪箱連接，即SRG旋轉(zhuǎn)角速度ωr和風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度ωm滿足：ωr=10 ωm；四相SRG，8/6極，額定功率為750 W，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，為抑制電壓紋波，輸出端并聯(lián)濾波電容C=1 000 μF，負(fù)載RL=5 Ω，風(fēng)速v在3～7 m/s范圍內(nèi)變化。

2.1穩(wěn)態(tài)特性

風(fēng)速恒定時(shí)，SRG轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處。設(shè)v=3 m/s，由式(2)、式(3)可計(jì)算出，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值應(yīng)為90 rad/s，風(fēng)輪機(jī)最大輸出功率為76.3 W，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果易知，SRG的實(shí)際轉(zhuǎn)速和輸出功率都與理論值吻合，經(jīng)過0.2 s左右的過渡時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在最優(yōu)工作點(diǎn)，靜態(tài)性能理想，驗(yàn)證了SRG非線性模型和MPPT控制策略的正確性。

圖5　風(fēng)速3 m/s時(shí)SRG的靜態(tài)輸出

再令風(fēng)速v=6.42 m/s，由式(2)、式(3)可計(jì)算出，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值應(yīng)為192.6 rad/s，風(fēng)輪機(jī)最大輸出功率為747.9 W，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6知，系統(tǒng)經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)便可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，響應(yīng)迅速。同時(shí)該風(fēng)速下，SRG的最優(yōu)工作點(diǎn)即為額定狀態(tài)，SRG穩(wěn)定運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速和額定功率。由于滿負(fù)載運(yùn)行，SRG的輸出功率振蕩比較低風(fēng)速時(shí)段而言略大，但是仍在允許范圍內(nèi)。

圖6　風(fēng)速6.42 m/s時(shí)SRG的靜態(tài)輸出

2.2動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)風(fēng)速變化，風(fēng)輪機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td不再為恒值，SRG的轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化。由式(2)、式(3)可計(jì)算得：當(dāng)風(fēng)速v 為4、5 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值分別為120、150 rad/s，風(fēng)力機(jī)最大機(jī)械功率分別為180.7、353.3 W。先擬定工況A：1 s時(shí)刻風(fēng)速由4 m/s階躍上升至5 m/s，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　風(fēng)速4 m/s上升至5 m/s時(shí)SRG動(dòng)態(tài)輸出

由仿真結(jié)果可看出，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在風(fēng)速突變前后都能很好地逼近給定參考值，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。在風(fēng)速突變時(shí)刻，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率僅需短暫的過渡時(shí)間就能找到新的最佳工作點(diǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。

再擬定仿真工況B：1 s時(shí)刻風(fēng)速由4 m/s階躍下降至3 m/s，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8易知，SRG轉(zhuǎn)速由120 rad/s下降至90 rad/s左右，輸出功率由180.7 W下降為76.3 W，與理論值相符，能快速完成相應(yīng)風(fēng)速下的自尋優(yōu)過程，表明基于本文所采用的MPPT控制算法可使系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速變化具有良好的抗擾性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，SRG的輸出功率諧波含量理想，能夠滿足用戶需求。此外，在風(fēng)速減小的工況下，系統(tǒng)未出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定情況。綜合上述穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果也可看出，SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更適合于中低速、小功率的發(fā)電場(chǎng)合，電機(jī)輸出功率振蕩較小，電能質(zhì)量更為理想。

圖8　風(fēng)速4 m/s下降至3 m/s時(shí)SRG動(dòng)態(tài)輸出

3 結(jié)論

本文基于SRG的實(shí)際特性分析了其數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了模型的正確性，并針對(duì)SRG的非線性和實(shí)際工況風(fēng)力機(jī)輸出功率最優(yōu)化的需求，提出一種最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)方法，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，增加電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率的判定環(huán)節(jié)以明確系統(tǒng)工作區(qū)域，并基于模糊PI控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定，通過勵(lì)磁電流控制SRG輸出功率達(dá)到匹配值，完成功率跟蹤。仿真結(jié)果證明該方法在風(fēng)速恒定、風(fēng)速突增、風(fēng)速突降的工況下都能得到所希望的輸出電能，動(dòng)靜態(tài)環(huán)境中都能良好地逼近最佳工作點(diǎn)，輸出穩(wěn)定，達(dá)到理想的控制效果，對(duì)SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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Research on MPPT control for SRG wind power generation system

HUANG Zhao,CHENG Jiang-zhou,WAN Jun-li
(College of Electrical Engineering and New Energy,Three Gorges University,Yichang Hubei 443002,China)

Taking the Switched Reluctance Generator(SRG)with 8 stator poles＆amp;6 rotor poles for example, considering the nonlinear characteristics of SRG,a developed rotational speed feedback control strategy based on fuzzy PI controller for maximum power point tracking(MPPT)was presented.The parameters for PI were adjusted and the excitation current was regulated automatically by comprehensive judgments of rotational speed and its error signal to control output electric power of the SRG machine,to optimize the mechanical power of wind turbine.The system operation capability could be improved.Simulation models of SRG wind power system with proposed MPPT control scheme proposed were established based on MATLAB platform.The results show the correctness of SRG nonlinear models and reliability of the MPPT algorithm,showing that SRG outputs could follow the theoretical maximum values at stable conditions or variable working situation,therefore excellent static and dynamic performances could be obtained.

switched reluctance generator;maximum power point tracking;excitation current;rotational speed feedback

TM 614

A

1002-087 X(2016)01-0162-04

2015-06-15

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010CDB10803)；三峽大學(xué)人才科研啟動(dòng)基金(KJ2012B047)

黃曌(1985—)，女，湖南省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置與系統(tǒng)。