最佳葉尖速比的最佳功率跟蹤控制在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

最佳葉尖速比的最佳功率跟蹤控制在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

0永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)控制策略由于其環(huán)境保護(hù)和可再生等特點(diǎn)，能量功能越來越受到重視。目前,世界各國加大了對風(fēng)能的開發(fā)利用。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,人們對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量、成本、發(fā)電效率以及安全可靠性等提出了更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心,如何高效的控制發(fā)電機(jī)對于整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)是提高電能質(zhì)量,保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。對于低于額定風(fēng)速條件下的變速風(fēng)力機(jī)而言,主要是通過控制發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制,常用的控制方法主要有三種:基于風(fēng)力機(jī)功率曲線的最大功率點(diǎn)跟蹤控制、基于最佳葉尖速比的最大功率點(diǎn)跟蹤控制、基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。然而風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個非線性、強(qiáng)耦合、多變量的復(fù)雜系統(tǒng),且風(fēng)能信號具有隨機(jī)性、時變性,加上外界環(huán)境的干擾造成系統(tǒng)參數(shù)攝動,因而很難獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型,這就給初期設(shè)計(jì)帶來了很大挑戰(zhàn)目前,針對永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制研究已得到了廣泛的重視,國內(nèi)外先后出現(xiàn)了大量先進(jìn)的控制策略。文獻(xiàn)[3]針對雙饋風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制,提出采用滑模觀測器的方法對氣動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償,在一定程度上提高了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]考慮到風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中氣動轉(zhuǎn)矩以及參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響,針對變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種主動容錯控制器,針對系統(tǒng)實(shí)際中存在的系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外界干擾的特性,設(shè)計(jì)了一種魯棒控制器,仿真結(jié)果表明該方法對于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和整體性能具有積極作用。文獻(xiàn)[5]對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究分析,提出了模糊PI控制方法并對比與混沌控制方法,仿真結(jié)果驗(yàn)證了模糊PI的控制方法的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[6]在分析永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,針對永磁同步發(fā)電機(jī)提出基于模糊滑?？刂频姆椒?針對變槳距機(jī)構(gòu)提出了基于RBFN的控制方法,在一定意義上降低了滑?？刂频亩秳訂栴},實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大功率跟蹤的目的。文獻(xiàn)[7]針對永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)攝動和外部干擾的問題,提出了無速度傳感器的自適應(yīng)輸出反饋控制,有效地提高了功率跟蹤控制能力。然而這些針對永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的先進(jìn)控制方法主要致力于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力,然而這些方法大多由于計(jì)算量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)難以應(yīng)用于工程實(shí)踐中。傳統(tǒng)的控制方法往往只考慮系統(tǒng)的線性成分,采用基于簡化的被控對象數(shù)學(xué)模型的方法,且大部分控制算法建立在系統(tǒng)參數(shù)已知或大部分已知的情況下,對于系統(tǒng)模型過于依賴。然而實(shí)際應(yīng)用中往往很難準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)的模型,這就給初期設(shè)計(jì)帶來了很多困難。因此針對永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種不依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、算法簡單、抗干擾性能強(qiáng)的先進(jìn)控制算法顯得尤為重要。自抗擾控制算法是由中科院韓京清研究員在對傳統(tǒng)PID控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出的針對上述問題,考慮到自抗擾控制器的特點(diǎn),本文提出一種基于最佳葉尖速比的最大功率線性自抗擾控制跟蹤控制策略,針對PMSG進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。首先將環(huán)境干擾、發(fā)電機(jī)本身內(nèi)部參數(shù)的攝動以及建模誤差等不準(zhǔn)確性看成系統(tǒng)的集總干擾通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ExtendedStateObserver,ESO)對系統(tǒng)的總干擾進(jìn)行估計(jì)并給出估計(jì)值。然后通過前饋補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行干擾補(bǔ)償,以提高系統(tǒng)的抗干擾性能,實(shí)現(xiàn)速度環(huán)快速無超調(diào)的跟蹤。為了驗(yàn)證所提方法的有效性及優(yōu)越性,在五種風(fēng)速下與PI控制方法進(jìn)行了對比研究。1屋頂能源系統(tǒng)的模型直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、變頻器組成。葉片捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率P1.1讓風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行模式變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,由于受到轉(zhuǎn)速、功率的限制,以及系統(tǒng)機(jī)械特性、元器件性能的影響,通常讓風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行在三種狀態(tài)下:最大功率捕獲、恒轉(zhuǎn)速和恒功率3種模式下(分別對應(yīng)于圖1區(qū)間①、②、③)。主要針對區(qū)間①進(jìn)行研究。其中,v當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在v因此可以通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與槳距角,使風(fēng)機(jī)按照圖1所示的曲線運(yùn)行,從而保證系統(tǒng)在安全可靠運(yùn)行條件下,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的控制目標(biāo)。1.2風(fēng)機(jī)角速度的計(jì)算由空氣動力學(xué)理論可知,風(fēng)力機(jī)葉片吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率,具有如下函數(shù)關(guān)系其中ρ為空氣密度(kg/m其中ω表示風(fēng)機(jī)的角速度。功率系數(shù)C為了更直觀的表示功率系數(shù)與葉尖速比以及槳距角的具體關(guān)系,基于Matlab/SIMULINK得到了C從圖2可以發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)槳距角β越小,功率利用系數(shù)C于是最大功率跟蹤控制策略可概括為以保持最優(yōu)葉尖速比為目標(biāo),實(shí)時跟蹤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使得風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在最佳葉尖速比下,即可獲得最大功率利用系數(shù),進(jìn)而得到最佳功率輸出。1.3永勝力機(jī)模型d-q坐標(biāo)系下PMSG數(shù)學(xué)模型可描述如下:其中:U于是電機(jī)系統(tǒng)動態(tài)方程可描述如下T2自抗擾控制器速度環(huán)作為交流調(diào)速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),應(yīng)具備速度動態(tài)響應(yīng)快,調(diào)節(jié)范圍廣,抗干擾能力強(qiáng)等特性。然而由于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng),且運(yùn)行過程中受外界環(huán)境干擾、本身參數(shù)攝動等導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,傳統(tǒng)的PI控制并不能充分發(fā)揮永磁同步發(fā)電機(jī)的性能,而自抗擾控制器能對這些干擾進(jìn)行實(shí)時觀測和補(bǔ)償,提高系統(tǒng)的性能。為此,速度環(huán)將采用自抗擾控制算法。電流環(huán)主要通過改善內(nèi)環(huán)的性能提高系統(tǒng)的快速性,由于傳統(tǒng)的PI控制具有結(jié)構(gòu)簡單,容易實(shí)現(xiàn)等特性,在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用,電流環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的PI控制方法。圖3所示為基于自抗擾控制的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,其中外環(huán)為速度環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。速度環(huán)采用自抗擾控制方法,電流環(huán)控制器采用傳統(tǒng)的PI控制算法。采用i系統(tǒng)工作機(jī)理:當(dāng)槳距角為零時,系統(tǒng)工作在最大功率捕獲狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速一定時,根據(jù)最佳葉尖速比λ對于速度環(huán),滿足如下方程假設(shè)其中a(t)為系統(tǒng)的總擾動,它主要包括摩擦阻尼、轉(zhuǎn)動慣量的擾動、以及b根據(jù)系統(tǒng)模型可以看出永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為一階系統(tǒng),依據(jù)文獻(xiàn)[9、12、14、16],可得PMSG線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器模型為:線性控制律設(shè)計(jì)為:其中,u(t)為控制輸入即圖3中的i3基于風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)自抗擾控制器的控制性能,基于Matlab/SIMULINK對ADRC的控制性能進(jìn)行了仿真研究。由于風(fēng)速具有隨機(jī)性,易變性和不可控性等特點(diǎn),其對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及電力系統(tǒng)的動態(tài)性的影響往往不可忽視,因此建立相應(yīng)的風(fēng)速模型對于研究風(fēng)電系統(tǒng)的動態(tài)性能至關(guān)要。一般將自然風(fēng)劃分為基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)四種,然后分別針對每一種風(fēng)速進(jìn)行了系統(tǒng)建模仿真仿真采用的永磁同步電機(jī)參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速n3.1基本風(fēng)速模型基本風(fēng)始終存在于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中,反映了風(fēng)場平均風(fēng)速的變化。一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時間變化,因而可以取常數(shù),取基本風(fēng)速為6m/s。用基本風(fēng)描述的系統(tǒng)模型可以用來研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送額定功率的大小。圖4、5為基本風(fēng)下系統(tǒng)ADRC與PI轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線。3.2陣風(fēng)下系統(tǒng)adrc與pi轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線的影響陣風(fēng)描述了風(fēng)速突然變化的特性,可用余弦函數(shù)來表示,研究陣風(fēng)下系統(tǒng)的特性為研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)電壓波動的影響以及電力系統(tǒng)的動態(tài)分析,提供了理論依據(jù)。其具體數(shù)學(xué)關(guān)系式如下其中圖6、7為陣風(fēng)下系統(tǒng)ADRC與PI轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線。本例中陣風(fēng)開始于0.8s終止于2.8s,周期為2s,陣風(fēng)最大值為8s。3.3adrc與pi轉(zhuǎn)速跟蹤試驗(yàn)對比曲線漸變風(fēng)用來描述風(fēng)速緩慢變化的特性,其具體數(shù)學(xué)公式如下所示。其中圖8、9為陣風(fēng)下系統(tǒng)ADRC與PI轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線。本例中漸變風(fēng)開始于0.8s終止于3.6s,漸變風(fēng)最大值為8s。3.4隨機(jī)風(fēng)下系統(tǒng)adrc與pi轉(zhuǎn)速跟蹤試驗(yàn)為描述在相對高度上風(fēng)速變化的隨機(jī)特性可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速來模擬。隨機(jī)噪聲風(fēng)速由兩種服從均勻概率密度分布的隨機(jī)變量組合而成,此處不再贅述。圖10、11為隨機(jī)風(fēng)下系統(tǒng)ADRC與PI轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線。本例中漸變風(fēng)開始于0.8s終止于3.6s,漸變風(fēng)最大值為8s。3.5基于adrc控制的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真將上述四種風(fēng)速疊加便形成自然風(fēng)速模型。自然風(fēng)是風(fēng)力機(jī)主要的能量來源,具有很強(qiáng)的突變性和隨機(jī)性。圖12圖13為自然風(fēng)下系統(tǒng)ADRC與PI轉(zhuǎn)速跟蹤能力與控制量響應(yīng)對比曲線。轉(zhuǎn)速跟蹤仿真曲線表明:與傳統(tǒng)的PI控制方法相比,自抗擾控制方法具有更好的轉(zhuǎn)速跟蹤性能,特別是當(dāng)風(fēng)速發(fā)生突變時,ADRC控制下的曲線具有更小的超調(diào)量以及更短的調(diào)節(jié)時間,跟蹤性能更。這是由于ESO能夠?qū)崟r地對系統(tǒng)內(nèi)擾、外擾以及模型的不確定性進(jìn)行估計(jì)并在對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生影響之前對總擾動實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償,使得系統(tǒng)跟蹤性能更好,提高了系統(tǒng)的魯棒性?？刂屏宽憫?yīng)對比曲線表明:當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)速發(fā)生變化時,自抗擾控制器的控制量比PI控制器的控制量更小更平緩,也更平穩(wěn),說明自抗擾控制器具有更強(qiáng)的抗干擾能力。4基于自抗擾控制的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤控制