基于直驅型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統的變槳自抗擾控制

摘要：為了實(shí)現大功率風(fēng)力發(fā)電系統的恒功率控制，首先建立了基于直驅型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統的數學(xué)模型；其次，以功率偏差為控制器的輸入信號，設計了一種基于自抗擾算法的風(fēng)力發(fā)電系統變槳距控制器。最后，在陣風(fēng)疊加隨機風(fēng)的作用下進(jìn)行仿真研究。仿真結果表明，該控制器能夠有效地控制槳距角，可以實(shí)現額定風(fēng)速以上時(shí)系統輸出功率的恒定。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統；恒功率；自抗擾；變槳距控制器

0 引言
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國的重視，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最常見(jiàn)的利用形式。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統不需要勵磁裝置，具有重量輕，效率高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型，從轉速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術(shù)最為先進(jìn)的變速變槳距型，發(fā)電效率在顯著(zhù)提高。特別是變速變槳距機組，其發(fā)電機中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機組在低風(fēng)速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機的直驅風(fēng)力發(fā)電系統，無(wú)需外部提供勵磁電源，把永磁發(fā)電機變頻的交流電通過(guò)變頻器轉變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，做到風(fēng)力機與發(fā)電機的直接耦合，省去齒輪箱，大大減小了系統的運行噪聲，提高了可靠性，降低了系統成本，成為當前風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn)。直驅型PMSG風(fēng)力發(fā)電系統的關(guān)鍵在于額定風(fēng)速時(shí)的變槳距控制。變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的槳距參考值可由風(fēng)速、電動(dòng)機轉速和發(fā)電機輸出功率3個(gè)參數來(lái)獨立控制。文獻提出一種由槳距角大小來(lái)調節控制器增益的控制策略，即在原有PI控制系統中加入一個(gè)增益調整控制器。由于PI控制器缺少微分調節作用，系統的動(dòng)態(tài)性能受到一定影響。文獻設計了模糊PID控制器對槳距角進(jìn)行控制。輸入信號的誤差為e和誤差變化率為ec，運用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現對PID參數的最佳調整，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻的e和ec對PID參數的自整定要求，從而得到槳距角變化目標的最佳調整。模糊PID控制器系統設計的核心為模糊控制規則設計，根據工程人員的實(shí)際操作經(jīng)驗和技術(shù)知識得到。本文設計了一種基于自抗擾控制算法的控制器，該控制器的參數調整可不依賴(lài)于實(shí)際經(jīng)驗，并能獲得更好的控制效果。仿真結果驗證了控制方法的有效性。

1 直驅型PMSG風(fēng)力發(fā)電機組建模
1．1 風(fēng)輪機模型
根據貝茲理論，風(fēng)輪機產(chǎn)生的機械功率為：

式中：ρ為空氣密度；Rt為風(fēng)力機風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；Cp(λ，β)為風(fēng)能轉換系數，是葉尖速比λ和槳葉節距角β的函數；葉尖速比λ為風(fēng)輪葉尖線(xiàn)速度與風(fēng)速之比，即；Ω1為風(fēng)輪的機械角速度。
風(fēng)輪機產(chǎn)生的風(fēng)力矩：

式中：CΓ(λ，β)為轉矩系數，CΓ(λ，β)=Cp(λ，β)／λ。
在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角β為常值0。在額定風(fēng)速以上，風(fēng)能轉換系數滿(mǎn)足以下函數關(guān)系：

1．2 PMSG模型
在分析永磁同步電機的基本電磁關(guān)系時(shí)，假定永磁同步電機為理想電機，即滿(mǎn)足：
(1)忽略鐵心磁飽和的影響，不計渦流及磁滯損耗；
(2)永磁材料的電導率為零；
(3)轉子上沒(méi)有阻尼繞組；
(4)定子三相對稱(chēng)，感應電動(dòng)勢為正弦。
此時(shí)經(jīng)過(guò)帕克變換后，在d-q軸坐標系下，PMSG的數學(xué)模型如下：

式中：R為定子電阻；ud(t)，uq(t)為d軸和q軸的定子電壓；Ld，Lq為d軸和q軸的定子電感；φm為永磁體產(chǎn)生的磁通；轉子旋轉的電角速度ωs(t)=p×Ωh(t)，d-q軸坐標系以電角速度ωs(t)隨轉子一同旋轉。
PMSG的電磁轉矩為：