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《電工電能新技術(shù)雜志》2015年第十二期

摘要:

風(fēng)電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制不僅直接決定機組的最大功率追蹤效果，而且對傳動系統(tǒng)疲勞載荷有明顯影響。風(fēng)電機組發(fā)電過程時刻受到風(fēng)速的擾動，而且機組傳動系統(tǒng)具有明顯的非線性特性。本文設(shè)計了一種非線性轉(zhuǎn)矩控制器，在計算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速后，對風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速。在考慮機組傳動系統(tǒng)柔性的情況下，實現(xiàn)最大功率追蹤的同時可減小傳動系統(tǒng)疲勞載荷。在FAST軟件中針對5MW風(fēng)電機組仿真，結(jié)果表明該方法能夠很好地追蹤最大功率，且相對傳統(tǒng)PI控制輸出的功率更加穩(wěn)定平滑，對傳動系統(tǒng)載荷有一定的改善。

關(guān)鍵詞:

風(fēng)力發(fā)電;非線性控制;轉(zhuǎn)矩控制

1引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，風(fēng)電機組的單機容量不斷增加，對控制技術(shù)也提出了更高的要求。風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)在實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤、平穩(wěn)發(fā)電運行的基礎(chǔ)上，還需盡可能抑制輸出功率波動，優(yōu)化機組承受的載荷，這樣就對風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)提出了更高的要求［1-3］。最大功率追蹤(MPPT)是變速變槳風(fēng)電機組控制的主要任務(wù)之一，常用的MPPT方法有葉尖速比控制、功率反饋和爬山法［4］。文獻(xiàn)［5］將葉尖速比控制算法與功率反饋法相結(jié)合，采用一種簡單有效的方法獲取定子給定最佳功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，避免了復(fù)雜的運算;文獻(xiàn)［6］對傳統(tǒng)的登山搜索控制算法進(jìn)行改進(jìn)，將原算法中的計算參數(shù)由風(fēng)力機輸出的機械功率轉(zhuǎn)化為發(fā)電機輸出的電磁功率，并與基于定子磁鏈定向的矢量控制相結(jié)合。在傳動系統(tǒng)的載荷控制方面，傳統(tǒng)的方法是在PI控制的基礎(chǔ)上，利用帶通濾波器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩與原發(fā)電機轉(zhuǎn)矩參考值相加，增加系統(tǒng)阻尼，進(jìn)而抑制傳動系統(tǒng)的扭振，減小載荷［7］;但是當(dāng)模型存在不確定性時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其他性能會受到影響［8］。而以上所有的方法都是基于傳動系統(tǒng)的線性化模型，其模型的建立忽略了傳動系統(tǒng)的非線形，難以真實地反映風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，存在一定的局限性。本文針對雙饋風(fēng)電機組的最大功率問題和傳動系統(tǒng)載荷問題，在額定風(fēng)速以下，利用非線性控制(NC)，通過及時跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，從而減小功率波動，提高輸出電能質(zhì)量，相對減小傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)載荷。

2風(fēng)速對轉(zhuǎn)矩控制的影響

風(fēng)電機組的發(fā)電過程是一個復(fù)雜的非線性過程，受到風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制的直接影響，其過程如圖1所示。其中，v為風(fēng)速;Ta為風(fēng)輪氣動轉(zhuǎn)矩;ωr為風(fēng)輪角速度;ωg為發(fā)電機角速度;Te為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩;Pe為發(fā)電機輸出功率。風(fēng)速變化具有強烈的隨機性、時變性和不確定性的特點，傳動系統(tǒng)的非線性特征主要體現(xiàn)在參數(shù)不確定性和無法準(zhǔn)確建模的動態(tài)部分。通過式(1)和式(2)可以得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，然后通過傳動系統(tǒng)的模型就可以得到最終的控制量Tg，所以在整個過程中最開始的風(fēng)速是十分重要的。如果通過歷史的Tg和ωg數(shù)據(jù)對Ta和ωr預(yù)測，進(jìn)而對風(fēng)速預(yù)測，然后根據(jù)圖1所示的關(guān)系對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，這樣對最大功率追蹤和載荷控制問題是十分有意義的。

3風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)建模

雙饋風(fēng)電機組的傳動系統(tǒng)由風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、柔性聯(lián)軸器和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。本文研究的風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)考慮傳動系統(tǒng)的柔性、綜合剛度和阻尼等情況，采用兩質(zhì)量塊模型，具體模型如圖2所示。

4基于卡爾曼濾波的風(fēng)速的預(yù)測

風(fēng)速是決定最優(yōu)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ωropt的重要變量之一。由于受到風(fēng)輪的影響，風(fēng)電機組中風(fēng)速測量精度有限且存在明顯滯后，本文控制中采用在線動態(tài)預(yù)測的方法作為參考。通過卡爾曼濾波和牛頓迭代法來預(yù)測風(fēng)速，卡爾曼濾波器的輸入為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，預(yù)測輸出狀態(tài)量為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

5基于風(fēng)速預(yù)測的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的非線性控制

本文研究的區(qū)域在低風(fēng)速區(qū)域，不考慮對槳距角度和偏航角進(jìn)行控制，實際操作上將槳距角和偏航角設(shè)置在最優(yōu)的0°位置，具體的控制框圖如圖3所示。在式(16)中已經(jīng)介紹了ωropt計算，這里不再贅述。下面主要進(jìn)行控制量Te導(dǎo)數(shù)的求解。

6案例仿真計算與結(jié)果分析

在風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)電機組控制策略試驗風(fēng)險較大，成本很高，而且無法實現(xiàn)在相同工況下兩種方法對比，因此本文采用風(fēng)電機組載荷計算軟件進(jìn)行案例仿真計算驗證控制策略的性能。利用美國可再生能源實驗室開發(fā)的FAST仿真軟件對一5MW雙饋風(fēng)電機組進(jìn)行仿真，機組的部分參數(shù)如表1所示。表1機組的部分參數(shù)不同控制策略下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和最優(yōu)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差如圖5所示。其中NC表示非線性控制器，PI表示傳統(tǒng)PI控制器。不難看出，在非線性控制器作用下，最優(yōu)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的追蹤要好于傳統(tǒng)的PI控制。非線性控制器和傳統(tǒng)PI控制器控制下的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩如圖6所示。可以看出，非線性控制器控制下的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩波動較小。發(fā)電機轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。可以看出，兩種控制策略的最大值、最小值和平均值相差不大，但是非線性控制器的標(biāo)準(zhǔn)差卻只有PI控制器的80.6%，說明發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩波動減弱。兩種控制策略下發(fā)電機的輸出功率如圖7所示。可以看出，在本文控制器作用下，功率的波動相對平穩(wěn)。發(fā)電機功率數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。可以看出，在本文控制器的作用下，輸出功率波動幅度減小，標(biāo)準(zhǔn)差只有PI控制器的74.7%。

7結(jié)論

針對風(fēng)速變化的隨機性、不確定性及其對風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩控制和輸出功率的直接影響，本文設(shè)計了一種基于卡爾曼濾波和牛頓迭代的風(fēng)速預(yù)測方法，并以此為基礎(chǔ)，考慮風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)的非線性，提出了一種發(fā)電機轉(zhuǎn)矩非線性控制器，該控制器可以更好地跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速。5MW風(fēng)電機組在FAST環(huán)境的計算結(jié)果表明，該控制策略能夠使輸出功率更加穩(wěn)定平滑，提高輸出功率品質(zhì)，并且在一定程度上減小了傳動系統(tǒng)的疲勞載荷。

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作者：王曉東 李懷卿 劉穎明 謝洪放 單位：沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院