帶有速度觀測器的風力發電系統風能捕獲控制*

王印松，?！∪?，王姝媛

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定071003）

帶有速度觀測器的風力發電系統風能捕獲控制*

王印松，海日，王姝媛

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定071003）

為了最大化捕獲風能和省去安裝機械傳感器的花費，提出了基于直接轉矩控制理論框架的速度觀測器風能捕獲控制策略。這個策略能有效克服系統參數變化和風速波動不確定性的影響，實現風速跟蹤控制。以2 MW直驅永磁風力發電機組作為研究對象，進行了仿真實驗研究。結果表明，提出的控制策略可以實現快速風速跟蹤和準確地估計轉速，且對于風速變化的未知干擾具有較強的魯棒性。

直接轉矩控制；直驅；永磁同步發電機組；速度觀測器；風能捕獲

0　引言

直驅永磁同步發電機組具有可靠性高、發電效率高、運行及維護成本低、電網接入性能優異等優點，使得直驅式永磁同步發電系統受到了越來越多的關注。風力發電機控制技術中的直接轉矩控制(direct torque control，DTC)具有轉矩動態響應迅速、對電機參數依賴少、控制結構簡潔、本質上無位置傳感器等優點。DTC-PMSG應用于風力發電場合，通過采用離散空間矢量調制技術，改善了風機模擬系統的低速性能[1]。針對永磁電機運行狀態，文獻[2-8]利用矢量控制技術，提出幾種方法來估測電機轉子的信息和推導系統的控制準則。文獻[4]采用自適應控制技術、文獻[5]采用中心差分濾波算法、文獻[6]采用滑模觀測器法、文獻[7-8]采用反電動勢法來實現無傳感器控制。但文獻[4-6]算法計算量大，實現復雜。文獻[8]在電機高速運行范圍內，顯示出了反電動勢法的有效性和實用性。通常風速較低時，兆瓦級風力發電系統處于停機狀態，可以避免反電動勢觀測器法在低轉速下的估計不準確的缺點。

以最大風能捕獲為風力發電系統在不同風速下的控制目標，本文提出一種既不依賴于風速測量及轉速測量，又具有較高控制精度的風能捕捉策略，利用風力機特性和永磁同步電機功率特性實現發電機轉速的調節，最終實現風能較大程度的利用。

1　直驅永磁同步風力發電機組模型

1.1風力機模型

風力機是將風能轉化為機械能，并通過風輪軸向發電機輸送能量的裝置。風力機的功率及葉尖速比為：

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；r為風輪半徑(m)；ω為風力機轉速(rad/s)；ν為風速；Pm為風力機機械功率；λ為葉尖速比；?為槳距角。而Cp的計算公式如下：

1.2永磁同步發電機模型

由于永磁同步電機內部電磁關系十分復雜，建立精確的數學模型比較困難。為簡化分析，通過假設和坐標變換理論，可以推導出兩相靜止坐標系中PMSG定子磁鏈及電磁轉矩方程，具體如下：

式中：us、is、Ψs分別為定子電壓矢量、電流矢量及磁鏈矢量，這些矢量在α、β坐標上的投影分別用下標“sα”和“sβ”標注。Rs、pn分別為定子電阻和磁極對數；Te為電磁轉矩。

永磁同步電機的轉子運動方程為：

式中，B是摩擦系數，J是電機的轉動慣量，Tm是輸入給永磁電機的機械轉矩。

2　發電機組控制策略與控制系統設計

2.1直驅風力發電機組的控制策略

2.1.1速度觀測器

與矢量控制不同，直接轉矩技術摒棄了解耦的思想，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。即控制系統不用得到精確的位置估計來轉換坐標，只需要觀測作為參考輸入的轉子轉速。在仍然沿用理想電機模型的一系列假設的前提下，內埋式永磁同步電機靜止兩相α、β坐標系數學模型[7]可表示：

其中，u、i、e、ω分別為電壓矢量、電流矢量、電動勢及角速度，這些矢量在 α、β坐標上的投影分別用下標“α”和“β”標注。Ld、Lq分別為發電機 d、q軸電感；p為微分算子；Rs為定子電阻；KE為反電動勢常數；微分運算符“′”僅對iq有效。本文中應用的反電動勢法主要由用于估計反電動勢的觀測器和用于獲取轉子信息的鎖相環組成。由式(9)可獲得反電動勢[eαeβ]T，再將其作為鎖相環的輸入。估計反電動勢的觀測器和鎖相環如圖1(a)、(b)所示。鎖相環的兩相輸入本身異號，故調節器的右邊為兩個信號的相加。圖中，通過一個低通濾波器濾出的電動勢的相位即包含了轉子位置的信息。

圖1　反電動勢觀測器與鎖相環原理圖

2.1.2統一變槳距控制

采用變槳距控制的風力發電機組在風速低于額定風速時，能夠獲得最大升力，提升風力發電機組的風能利用率；當風速超過其額定風速時，風力發電機的輸出功率能保持穩定，最終使風力發電機組的發電效率得到了提高。這里變槳距控制系統如圖2所示。通常情況下，槳距角的調整范圍為-2°～30°，并在最高速率±10°/s間變化。

圖2　統一變槳距控制

2.1.3風能捕獲

在給定風速下，只有尖速比最優時，才能獲得最大的風機能量。當風速改變時，風機轉子速度相應地改變以保護最優的尖速比，從可以利用的風資源中獲取最大功率輸出。在兩相靜止坐標系下，永磁同步發電機輸出的有功功率為：

考慮定子銅耗：

忽略鐵耗和機械損耗后的功率方程為：

通過風機特性方程式(1)與(12)聯合，在Pm和最大風力利用系數 Cpmax時對應一個參考轉速：

此時，發電機有功功率Pe與風機機械功率Pm不斷變化，參考轉速也在不斷變化，直至達到所處風速下的最優功率值。

2.2帶有速度觀測器的直驅永磁風力發電系統設計

根據上述理論分析結果，構建如圖3所示的帶有速度觀測器的直驅式永磁同步風力發電機組風能捕獲控制策略框圖。

圖3　基于速度觀測器法的最大風能捕獲控制

對永磁同步電機的控制主要由發電機和電機側的PWM變流器完成。首先，將檢測得到的電機電壓和電流信號進行從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換，經過磁鏈和轉矩觀測器對電機的定子磁鏈幅值和電磁轉矩進行觀測，得到當前狀態下磁鏈幅值和電磁轉矩的實際值；然后，分別與定子磁鏈幅值和電磁轉矩的給定值進行滯環比較；最后，利用比較器的輸出結果再與磁鏈矢量所在的空間扇區號共同決定逆變器的開關狀態，實現對直接轉矩控制。

3　實驗研究

本文實驗中采用的2 MW風力發電系統的參數如表1所示。為了驗證所提出的速度觀測器法的有效性及實用性，選取的風速應當包含高于額定風速和低于額定風速的情況。仿真中用到的風速曲線如圖4所示，變化范圍在9～16 m/s。當觀測的轉速不作為控制系統的輸入時，風力發電系統的實際轉速與估計轉速對比如圖5所示?？梢詮膱D中看出，在0～2 s期間，估計的轉速并不能很好地跟蹤實際的轉速；在 2～20 s期間，除了有很小的滯后之外，估計轉速能較準確地跟蹤實際轉速的變化，并且具有較高的檢測精度。

表1　直驅式永磁同步風力發電機系統參數

圖4　風速模型

圖5　轉速的估計

根據提出的控制策略，下面把觀測的轉速作為控制系統的輸入，并且與安裝傳感器的風力發電系統的運行參數進行比較分析。由于圖5中，實際的轉速與估計的轉速在到達一定時間后才達到估計精度的要求，所以在6～20 s期間分別對有速度傳感器和無速度傳感器的風力發電系統的轉速、風力機機械功率、風力利用系數、電網側有功功率進行仿真對比，分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。其中上圖為無速度傳感器的風力發電系統的運行情況，下圖為帶有速度傳感器的風電系統。

圖6　發電機轉速

圖7　風力機機械功率

圖8　風力利用系數

圖9　電網側有功功率

圖4中，6～12 s時間段內為風速小于額定風速12 m/s的情況。6～12 s時間段內，風力機機械功率將低于其他時間段；而整個控制過程中此時間段的發電機轉速也小于其額定轉速。由圖6和圖7可以看出，在實際的運行中，估計的轉速仍然延遲于實際的轉速，無傳感器的風力機的機械功率在6～7 s略有下降，但此后并不影響風力發電系統的運行。圖8、圖9中的對應時間段內，風能利用系數 Cp在 6～12 s的時間段內，捕獲風能的能力不理想，所以在這時間段內的風力機機械功率和電網側的有功功率也比較低。但在12 s以后，基本上風力利用系數都達到了最大值0.438附近。

4　結論

本設計通過在全風速范圍內采用變槳距控制，有效限制了風力發電機組的轉速；對風力發電系統采用速度觀測器法來實現風能捕獲控制，使電網側功率變換器電網有功功率具有較好的穩定性。仿真結果表明，提出的直驅永磁同步風力發電機組速度觀測器法具有實用的控制效果，不僅實現快速風速跟蹤和準確地估計轉速，且對于風速波動的未知干擾具有較強的魯棒性。

[1]劉鈺山，葛寶明，畢大強，等．基于改進的直接轉矩控制的風力機模擬系統[J]．電力系統保護與控制，2010，38 (18)：140-144，198．

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[3]唐芬，金新民，姜久春，等．兆瓦級直驅型永磁風力發電機無位置傳感器控制[J]．電工技術學報，2011，26(4)：19-25．

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Wind energy capture control of PMSG for wind power generation with speed observer

Wang Yinsong，Hai Ri，Wang Shuyuan
(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Based on direct torque control(DTC)of permanent magnet synchronous generator(PMSG)for wind power generation, this paper proposes a wind energy capture strategy with a speed observer to obtain wind energy and reduce the cost of installing mechanical sensors.The applied control strategy could overcome the influence on system parameter variations and unknown wind disturbances.Through the simulation study on a 2 MW PMSG system,the experimental results show that the generating system with proposed control strategy has a quick tracking performance of wind,an accurate estimating value of speed and a high robust ability to unknown disturbance of wind.

direct torque control；direct-drive；permanent magnet synchronous generator；speed observer；wind energy capture

TM614

A

0258-7998(2015)01-0135-04

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014082703128

河北省自然科學基金(F2012502032)

（2014-08-27）

王印松(1967-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：清潔能源發電控制技術、非線性控制理論及應用等。

海日(1988-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：風力發電技術、新能源并網控制技術，E-mail：hairienri@163.com。

王姝媛(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：逆變器并網控制技術、光伏并網發電技術。