高 宇，張繼勇

（揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225100）

風能作為一種可再生能源，其廣泛開發(fā)利用能夠直接降低工業(yè)生產(chǎn)生活對于煤、石油等資源的依賴，解決來自化石能源的碳排放問題[1]。風力發(fā)電作為風能轉(zhuǎn)化的有效途徑，從20 世紀就開始進行研究，根據(jù)磁電能量的相互轉(zhuǎn)化，將電機應(yīng)用于風能到電能的改變已成為一種合理的途徑。永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)作為當前風力發(fā)電的主流機型，由于結(jié)構(gòu)簡單，控制效率較高受到各大廠家和學(xué)者的追捧[2-3]，在實際應(yīng)用過程也因為其眾多的優(yōu)勢助力能源市場發(fā)展得更加高效可靠。隨著電機控制算法的深入研究，電機控制中相關(guān)研究成果也逐步應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)，基于矢量控制原理的電機控制結(jié)構(gòu)也發(fā)展得十分成熟，直接轉(zhuǎn)矩作為矢量控制的衍生，因結(jié)構(gòu)相對簡單、調(diào)速性能好、控制參數(shù)少，且對于轉(zhuǎn)矩脈動等諧波抑制較為優(yōu)良，但該控制策略與現(xiàn)有的電機控制結(jié)合仍然較為稀少，在風電領(lǐng)域也亟需進一步推廣應(yīng)用[4-6]。一些先進的現(xiàn)代控制理論研究更是可以和風電相結(jié)合，將風力發(fā)電系統(tǒng)的性能進一步提升[7-10]，提高電能產(chǎn)生的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以適應(yīng)各種工況下的不同需求。

1 風力機系統(tǒng)

永磁式直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個結(jié)構(gòu)組成：風力機系統(tǒng)、機側(cè)變流器系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)，以及永磁同步發(fā)電機、直驅(qū)系統(tǒng)風力機和發(fā)電機同軸，利用風力帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，機側(cè)整流器將最大功率跟蹤控制方法與電機常用的直接轉(zhuǎn)矩等控制結(jié)合，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終跟蹤最佳葉尖速比下的參考轉(zhuǎn)速，完成對風能的有效利用。網(wǎng)側(cè)逆變器采用同樣雙環(huán)控制，一方面保持直流母線電壓的穩(wěn)定，另一方面維持系統(tǒng)功率因數(shù)在1 附近，使得電能能夠安全合理地并入電網(wǎng)。

風力機是連接外界的自然風和系統(tǒng)裝置內(nèi)部永磁同步發(fā)電機的重要橋梁，構(gòu)成的風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部存在著重要的電能變換過程。風力機充分利用風資源將其轉(zhuǎn)化成機械能，結(jié)合PMSG 輸出最終所需的電能。整個過程和多種學(xué)科理論都具有關(guān)聯(lián)性，尤其是空氣動力學(xué)相關(guān)知識。根據(jù)相關(guān)原理，風機的轉(zhuǎn)速和風速之間的關(guān)系為

式中：λ 為葉尖速比，通常存在一個最優(yōu)值使得電機轉(zhuǎn)速也同樣獲得最佳值；ν 為風速；R為風機葉輪的半徑；ω 為風機的機械角速度。風力機利用葉片收集風能，其輸出的功率Pm和轉(zhuǎn)矩Tm可進一步表達為

式中：ρ 為空氣密度，β 為葉片的槳距角，Cp為風能利用系數(shù)，作為風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重要參數(shù)反映出系統(tǒng)對風能的利用率的高低，常用風輪的具體數(shù)值為

從式（3）中可以看出，風能利用系數(shù)Cp和葉尖速比、槳距角之間存在著一定的數(shù)量關(guān)系。通過改變β 或λ 的大小，進而改變Cp的大小，使得系統(tǒng)能夠在最佳狀態(tài)運行，此時風力機能夠最大程度地捕獲風能，提高整個系統(tǒng)的資源利用率和運行效率。根據(jù)式（3）在MATLAB 中建立邏輯算式，畫出在不同槳距角和葉尖速比條件下，式（3）所對應(yīng)的函數(shù)Cp曲線關(guān)系圖，如圖1 所示，在不同的槳距角條件下，風能利用系數(shù)呈現(xiàn)拋物線趨勢，隨著葉尖速增加先遞增后遞減，最大功率點只有一個。當槳距角為0°且葉尖速比為8 時，風力機存在最大的風能利用系數(shù)為0.45，實際仿真和設(shè)計過程便可采用該參數(shù)進行風力發(fā)電系統(tǒng)中風力機模型的建立。

圖1 風能利用系數(shù)曲線

2 永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)

根據(jù)電機基本特性分析可知，永磁同步發(fā)電機在dq坐標系下的電壓和磁鏈方程為

式中：ud、uq、id、iq、ψd、ψq為永磁同步電機在dq坐標系下的電壓、電流、磁鏈，Rs為電機定子線圈電阻，ωe為電機永磁轉(zhuǎn)子電角速度，ψf為永磁轉(zhuǎn)子磁鏈幅值。

永磁同步發(fā)電機的運動微分方程可描述為

矢量控制系統(tǒng)內(nèi)部最內(nèi)層環(huán)節(jié)便為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，只不過其以電流形式呈現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制則通過觀測環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩磁鏈矢量，繼而控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電子磁鏈的旋轉(zhuǎn)。定義轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的夾角為轉(zhuǎn)矩角，當負載穩(wěn)定不變時，轉(zhuǎn)矩角隨著定子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，保持恒定不變，可表示為

根據(jù)坐標變換原理，對式（4）中磁鏈關(guān)系進行進一步改寫

根據(jù)定子磁鏈矢量控制原理可知，ψx=ψs，ψy=0，則

系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩可進一步表示為

一般而言，常見的表貼式PMSG 定義dq軸系下的電感值相等，轉(zhuǎn)矩公式可進一步化簡成為

根據(jù)式（10）可知，當永磁體磁鏈幅值維持恒定不變時，直接轉(zhuǎn)矩控制可以利用改變δ 角和ψf來實現(xiàn)對發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)矩Te的實時控制。為了進一步簡化該公式，永磁同步發(fā)電機通常默認定子磁鏈也為恒定，在理想情況下，電磁轉(zhuǎn)矩只和轉(zhuǎn)矩角度相關(guān)，只需獲取轉(zhuǎn)矩角度便可實現(xiàn)對于永磁電機轉(zhuǎn)矩的精確控制。

3 自抗擾控制策略

實際的永磁同步發(fā)電系統(tǒng)在實際運行過程中，不可避免地出現(xiàn)一些外在和內(nèi)在的因素，造成發(fā)電運行過程中的抖動現(xiàn)象，傳統(tǒng)的PI 控制并不能很好地消除這些干擾，為進一步提升發(fā)電系統(tǒng)自身的調(diào)速性能和抗干擾性能，現(xiàn)提出將自抗擾控制策略加入系統(tǒng)速度環(huán)內(nèi)。自抗擾控制策略首先需要明確控制對象的基本數(shù)學(xué)模型，由式（5）可將永磁同步發(fā)電機的運動微分方程進行變形，構(gòu)造成標準的一階非線性系統(tǒng)，其方程可進一步表示

式中：Te表示電磁轉(zhuǎn)矩，自抗擾控制講究將系統(tǒng)內(nèi)外所存在的干擾集合起來，d（t）為系統(tǒng)內(nèi)外集總擾動，δ 為電機電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)永磁同步發(fā)電機的一階模型建立線性擴張狀態(tài)觀測器模型

式中：z1為x1的估計值，z2為系統(tǒng)總擾動x2的估計值，β1、β2為系統(tǒng)增益參數(shù)。

由此可得，速度環(huán)自抗擾控制器整體可表示為

式中：k1是比例系數(shù)；ωm*是期望輸出。

4 仿真與分析

本文采用Matlab/Simulink 軟件對所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)力系統(tǒng)策略進行分析和研究，通過對比PI和自抗擾控制下的直接轉(zhuǎn)矩發(fā)電系統(tǒng)在隨機風下的功率跟蹤性能來驗證該策略的可行性和抗干擾能力。表1 給出系統(tǒng)的仿真參數(shù)。

表1 風力發(fā)電仿真參數(shù)

根據(jù)該仿真參數(shù)，建立永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的風速模型和發(fā)電機控制基本模型，并將基本PI 控制的速度環(huán)替換成ADRC 控制，分別調(diào)節(jié)PI 和ADRC控制下的風力發(fā)電系統(tǒng)模型，對比二者在同一風速模型下，系統(tǒng)對于最大功率點下轉(zhuǎn)速跟蹤性能。如圖2所示。

根據(jù)圖2 最大功率點下的速度給定跟蹤曲線所示，其中，Reference為參考輸入速度曲線，PI為PI 控制下的速度跟蹤曲線；ADRC為自抗擾控制策略下的速度跟蹤曲線。2 種控制策略都能夠根據(jù)理論計算的風速模型曲線進行總體趨勢上的跟蹤，PI 控制也充分展現(xiàn)其控制的穩(wěn)定性，在風電領(lǐng)域也可實現(xiàn)控制目標。進一步分析跟蹤曲線發(fā)現(xiàn)，本文提出的自抗擾控制策略可以更好地跟蹤速度指令，超調(diào)和穩(wěn)態(tài)偏移量情況明顯優(yōu)于PI 控制下的風力發(fā)電系統(tǒng)，在風速突變的情況下，自抗擾控制下的風電系統(tǒng)仍可跟蹤給定風速曲線，不存在波動情況。

5 結(jié)束語

風力發(fā)電直接轉(zhuǎn)矩控制作為風電系統(tǒng)一種較為新穎的控制策略，其逐步推廣和應(yīng)用將豐富風電控制結(jié)構(gòu)。針對傳統(tǒng)PI 控制下系統(tǒng)跟蹤性能和抗干擾能力上的缺陷，引入自抗擾控制策略優(yōu)化整體的控制結(jié)構(gòu)，一方面提升系統(tǒng)跟蹤性能，讓風電系統(tǒng)始終能以最大功率捕獲點狀態(tài)運行，另一方面將系統(tǒng)內(nèi)外擾動全部補償，進而提升系統(tǒng)面對風速突變的抗干擾性能。