蔡斌軍，李朝旗，何 雍，王田宇

(湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411101)

0 引 言

在“雙碳”背景下，我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入新的階段。在風(fēng)電發(fā)展的過程中，改善風(fēng)電質(zhì)量，保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率輸出一直是風(fēng)機(jī)研究的主要方向。直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)相比雙饋交流勵磁風(fēng)機(jī)，有著明顯的優(yōu)勢，如更高的發(fā)電效率、更優(yōu)的低電壓穿越能力。由于省去變速箱，提高了運(yùn)行可靠性，降低了人工維護(hù)成本等，直驅(qū)永磁同步電機(jī)成為研究熱點(diǎn)[1]。

在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤(以下簡稱MPPT)控制的過程中，最常見的方法有兩類：一類是尋優(yōu)法，即爬山搜索算法，另一類是最佳特性曲線法。尋優(yōu)法采用較多的MPPT方法，傳統(tǒng)固定步長的MPPT算法在穩(wěn)態(tài)跟蹤準(zhǔn)確度和動態(tài)跟蹤速度上存在不足。文獻(xiàn)[2]提出一種梯度式變步長登山算法，根據(jù)前一次輸出功率差值與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的梯度關(guān)系來判斷下一次的步長變化，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[3]提出一種分段式變步長登山算法，將風(fēng)機(jī)工作區(qū)間分為4個區(qū)域，在不同區(qū)域采用不同算法，結(jié)合固定步長和斜率變步長的優(yōu)點(diǎn)，從而改善了系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[4]結(jié)合模糊控制算法與MPPT算法，快速且準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了最大功率追蹤的目的。文獻(xiàn)[5]通過加入模糊控制，從而達(dá)到精確的PI參數(shù)整定效果，實(shí)際轉(zhuǎn)速快速跟蹤參考轉(zhuǎn)速。

本文針對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM控制技術(shù)展開研究。MPPT采用變步長爬山搜索法，機(jī)側(cè)變流器為轉(zhuǎn)速外環(huán)控制；網(wǎng)側(cè)控制確保母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率獨(dú)立解耦控制。

1 風(fēng)力發(fā)電控制策略

1.1 風(fēng)力機(jī)特性分析

由貝茲(Betz)理論可以知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)僅使用部分風(fēng)力發(fā)電，理論利用最大值為0.593，風(fēng)機(jī)實(shí)際利用風(fēng)能公式：

(1)

(2)

式中:R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；V為風(fēng)速；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；β為槳距角；ωr為風(fēng)機(jī)角頻率；Pr為風(fēng)機(jī)利用功率；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度。

1.2 最大功率跟蹤控制

由式(1)、式(2)可知，風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角直接影響風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率。在一恒定風(fēng)速下，存在一恒定轉(zhuǎn)速值，使風(fēng)機(jī)達(dá)到最大輸出功率。在直驅(qū)風(fēng)機(jī)中，發(fā)電機(jī)與輪轂轉(zhuǎn)軸直接相連，兩者同步運(yùn)行。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化直接影響風(fēng)力機(jī)最大功率輸出。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生改變時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤輸出。

本文采用變步長爬山搜索法，控制邏輯如表1所示，控制示意圖如圖1所示。

表1 爬山法控制邏輯表

圖1 爬山法控制示意圖

變步長爬山法的搜索步驟如下：

(1)測量風(fēng)力機(jī)輸出功率Pn與永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωn。

(2)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速變化量Δωn=ωn-ωn-1，功率變化量ΔPn=Pn-Pn-1。

(3)根據(jù)Δωn和ΔPn判斷工作點(diǎn)的移動趨勢屬于圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 的哪一個區(qū)。當(dāng)工作點(diǎn)的變換趨勢屬于Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)時，需增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)工作點(diǎn)的變換趨勢屬于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)時，需減少電機(jī)的轉(zhuǎn)速。加入角速度擾動S可以表示：

(3)

式中：s為固定常數(shù)；sign(x)為符號函數(shù)，滿足x>0時，sign(x)=1，x<0時，sign(x)= -1。

(5)重復(fù)步驟(1)～步驟(4)。

1.3 機(jī)側(cè)變流器控制

在三相靜止坐標(biāo)系下，永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地建立。為了便于對永磁同步發(fā)電機(jī)的研究和控制，現(xiàn)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行假定：忽略鐵心磁飽和，不計(jì)鐵心的渦流和磁滯損耗；不計(jì)轉(zhuǎn)子阻尼繞組；轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁勢為正弦波;定子繞組感應(yīng)電動勢正弦分布。

建立d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程[6]：

(4)

式中：ud，uq為d，q軸定子電壓；Rs為定子電阻；id，iq為d，q軸定子電流；Ld，Lq為d，q軸電感；ψf為磁鏈；ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

對上式進(jìn)行解耦，得機(jī)側(cè)變流器的控制方程：

(5)

(6)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機(jī)極對數(shù)；ψf為磁鏈。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制策略圖

1.4 模糊PID控制器

PID控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差能力較好，而模糊控制器控制精度比較低，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差能力相對較弱，兩者結(jié)合，能夠有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本文采用模糊PI控制方法控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)速度外環(huán)，旨在取代傳統(tǒng)的PI控制，從而提高模糊控制的魯棒性。

該控制器以轉(zhuǎn)速的偏差e以及微分ec作為輸入變量，輸出變量是PI參數(shù)增量ΔKP和ΔKi，將經(jīng)過模糊控制器得到的增量與原有參數(shù)相加，從而在線實(shí)時調(diào)整 PI控制的參數(shù)。

1.4.1 隸屬度函數(shù)的確定

1.4.2 模糊控制規(guī)則

本文對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制效果要求：當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差|e|較小，KP值取小，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，Ki值取稍大，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差|e|略大，KP值取較小值，Ki值取適中，以防止超調(diào)過大；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差|e|很大，KP值取較大值，以保證系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定，Ki值取極小，避免出現(xiàn)過大超調(diào)。

采用經(jīng)驗(yàn)歸納法來確立模糊控制器的規(guī)則[5]，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 ΔKP模糊控制規(guī)則表

表3 ΔKi模糊控制規(guī)則表

1.4.3 去模糊化

去模糊化是模糊控制中重要的一部分，是將不精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)據(jù)。常用的去模糊化方法有加權(quán)平均法，最大隸屬度法和重心法。

本文去模糊化過程采用重心法，公式如下：

(7)

式中：xi為模糊輸出；μ(xi)為xi對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；U為去模糊化后得到的精確值。

1.5 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程[6]

(8)

式中：R為網(wǎng)側(cè)線路等效電阻；L為網(wǎng)側(cè)濾波等效電感；ud，uq為逆變器交流側(cè)電壓d，q軸分量；id，iq為網(wǎng)側(cè)電流的d，q軸分量；ω為電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)電流角頻率；ed，eq為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量。

實(shí)施PI控制后的網(wǎng)側(cè)變流器電壓方程：

(9)

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略圖

2 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證模糊PI控制器控制效果，本文搭建了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，參數(shù)如表4所示。

表4 風(fēng)電系統(tǒng)主要參數(shù)

本文為驗(yàn)證控制策略在多種風(fēng)速情況下的可行性，風(fēng)速輸入選擇穩(wěn)定風(fēng)速、漸變風(fēng)速、階躍風(fēng)速相結(jié)合方式。設(shè)置t=0～1.5 s 時，風(fēng)速為7 m/s，1.5～2.4 s 時風(fēng)速從7 m/s勻速上升到10 m/s，3.5 s時風(fēng)速發(fā)生階躍，從10 m/s下降到8 m/s，仿真波形如圖4所示。

圖4 風(fēng)速圖

圖5為PI與模糊PI控制器得到的功率對比曲線圖。由圖5可知，在給定穩(wěn)定風(fēng)速時，PI與模糊PI控制都能快速反應(yīng)，響應(yīng)速度為0.35 s。當(dāng)風(fēng)速逐漸升高時，風(fēng)機(jī)輸出功率隨風(fēng)速變化而變化。在3.5 s時，風(fēng)速發(fā)生階躍，從10 m/s到8 m/s時，模糊PI控制超調(diào)量更低。

圖5 模糊PI與PI輸出功率對比圖

圖6為轉(zhuǎn)速對比曲線圖。曲線結(jié)果表明，在風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行和風(fēng)速發(fā)生階躍時，模糊PI控制下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能更快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，超調(diào)量更低，更好地跟蹤參考轉(zhuǎn)速。

圖6 模糊PI與PI轉(zhuǎn)速跟蹤圖

圖7為PI與模糊PI控制器得到的直流母線電壓對比曲線圖。從仿真曲線放大圖可以看出，在風(fēng)速發(fā)生階躍時，直流母線電壓發(fā)生變化，但模糊PI控制下電壓變化超調(diào)量更低。

圖7 模糊PI與PI直流母線電壓對比圖

3 結(jié) 語

針對雙 PWM 變流器的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，本文采用變步長爬山搜索法實(shí)現(xiàn)MPPT控制；機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)均采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)根據(jù)控制對象，機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速為外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓為外環(huán)。根據(jù)給定變化風(fēng)速，系統(tǒng)在Simulink 中進(jìn)行仿真，仿真波形證明在系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，模糊PI控制器具有優(yōu)越性和可靠性。