SRG風力發電系統最大功率跟蹤控制研究

黃　曌， 程江洲， 萬鈞力(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

SRG風力發電系統最大功率跟蹤控制研究

黃曌， 程江洲， 萬鈞力
(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

以8/6極開關磁阻發電機(SRG)為例，基于電機的非線性特性提出一種基于模糊PI控制器的改進型轉速反饋最大功率跟蹤策略：通過SRG轉速及其變化率，確定模糊規則自行整定PI參數，調節勵磁電流，控制電機輸出功率，使系統運行于最佳工作點。在Matlab平臺上搭建基于最大功率跟蹤策略的SRG系統仿真模型，仿真結果表明：外界風速穩定時，SRG轉速和輸出功率均可平穩保持在理論最佳值；風速變化時，SRG系統可快速實現自尋優，具備良好的動靜態性能，驗證了SRG仿真模型的正確性和控制策略的可靠性。

開關磁阻發電機；最大功率跟蹤；勵磁電流；轉速反饋

隨著風能的開發和利用，風力發電相關技術也取得了顯著的進步，并逐漸成為能源技術中的一個重要分支[1-2]。風力發電面臨的主要問題之一是風力機機械功率的不確定性，隨外界風速變化而變化，因此系統必須包括風力機最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)的控制部分，從而在實時工況下達到所希望的最優值，提高發電效率。由于開關磁阻發電機(SRG)優良的調速性能、較強的容錯能力與自勵能力等優勢，在風力發電領域具有很大的發展潛力和研究價值[3-4]。SRG風力發電系統結構如圖1所示，其中，控制系統作為風力發電系統的核心部分，主要實現兩大功能，一是SRG的發電運行控制：通過檢測SRG電流、電壓及轉子位置信號，控制功率變換器中主開關器件的通斷；二是MPPT控制，通過合適的自尋優算法，完成SRG與風輪機的功率匹配，從而實現最大功率跟蹤。

圖1　開關磁阻風力發電系統結構

近年來，最大風能跟蹤的控制策略主要有風速跟蹤控制、轉速反饋控制和功率擾動控制[5-6]。其中風速跟蹤控制需要測量風速，功率擾動控制則需要較長的調節時間，均會降低系統可靠性，相比較而言，轉速反饋控制簡單易行，在小功率的風力發電場合得到廣泛的關注，但其單一的PI調節不能良好地適應SRG本身的非線性特性[7]。綜合考慮以上三種控制方法的優缺點，針對風力發電系統的需求，本文在傳統轉速反饋控制的基礎上加以改進，提出模糊PI控制方案，通過SRG實時轉速反饋與給定值比較，并結合轉速的變化情況，調節勵磁電流，驅使SRG輸出功率不斷跟蹤匹配值，從而改變電機的電磁轉矩和轉速，最終系統達到平衡，并穩定運行于最佳工作點。完整的仿真研究驗證了控制策略的可行性與有效性。

1 MPPT控制算法

1.1風力機最大功率捕獲機理

設ρ為空氣密度，v為風速，R為風力機半徑，風機掃掠面積A=πR2，λ為葉尖速比，β為槳葉節距角，由貝茲定理風機得輸出機械功率Pm[8-9]：

式中：葉尖速比λ=ωmR/v，ωm為風力機機械角速度，Cp為風能利用系數，由λ，β決定其值。當槳葉節距角β恒定時，Cp隨λ變化，且有一個確定的最佳葉尖速比λopt對應最大的風能利用系數Cpmax，此時風力機運行在最大輸出功率點Pmax處。

風力機的特性曲線如圖2所示[10]。由圖2知，當風速固定時，風力機只有在某一轉速下運行才能輸出最大功率Pmax，此轉速同時也對應該風速下的最佳葉尖速比λopt和最大風能利用系數Cpmax，偏離此點風力機輸出功率將會減小。連接各風速對應的最大功率點即得最佳功率曲線。當風速變化時若及時調整風輪機的轉速，保持最佳葉尖速比，就能使風力機始終運行在最佳功率曲線上；又因為風機轉速ωm通過齒輪箱與電機轉速ωr成線性關系，因此控制SRG轉速即可實現尋優。

圖2　風力機特性曲線

1.2SRG風力發電機控制器的設計

圖3　SRG控制系統框圖

如前所述，SRG的控制系統同時實現發電運行控制和MPPT控制功能。為簡單起見，SRG本體采用最為普遍的電流斬波控制方式(CCC)，通過相繞組電流iph與勵磁電流的斬波閾值比較，產生PWM脈沖信號以控制功率變換器橋臂主開關的開通與關斷；風機驅動轉矩Td作用于SRG上，影響著電機角速度ωr，勵磁電流則由MPPT控制部分根據ωr及其變化量Δωr進行調節，如圖3所示。轉速參考值ωr*由實時風速確定。

首先MPPT計算最優工作點，將該點對應的電機轉速作為反饋支路的給定值，λopt和Cpmax值確定的條件下，該給定值僅由當前風速決定：

由式(2)則可計算出風力機的最大機械功率：

將SRG轉速ωr與給定值ωr*相比較，并結合ωr的變化情況調節勵磁電流，通過電流斬波控制，勵磁電流變化引起SRG輸出功率P1變化，繼而引起電磁轉矩Te變化，在Te和風力機驅動轉矩Td共同作用下，ωr變化，并通過反饋再次與給定值進行比較，改變勵磁電流，不斷重復直至達到最佳工作點后，系統穩定運行。

1.3控制規則的建立

由圖2可知，如果檢測到的電機轉速等于參考值，說明當前運行在最優工作點處，勵磁電流維持原值。如果檢測到的ωr小于參考值，則工作點位于I區，即最大功率點左側，此時需要增大轉速，以跟蹤最大功率點：若此時Δωr大于0，工作點沿著路徑1的方向靠近最優點，轉速增大，說明風力機輸出機械功率大于SRG輸出功率，為達到功率匹配應增大P1，因此需增大勵磁電流；若此時Δωr小于0，工作點沿著路徑3的方向遠離最大功率點，轉速減小說明風力機輸出機械功率小于SRG輸出功率，為達到功率匹配應減小P1，故需減小勵磁電流[11]。

同理當檢測到的ωr大于給定值，則工作點位于П區，需要減小電機轉速。若此時Δωr大于0，即工作點沿著路徑4的方向遠離最優點，轉速增大，說明風力機輸出機械功率大于SRG輸出功率，因此需增大勵磁電流；若此時Δωr小于0，工作點沿著路徑2的方向靠近最大功率點，轉速減小說明風機輸出機械功率小于SRG輸出功率，跟蹤最優點還需進一步減小電機轉速，因此應增大勵磁電流提高SRG輸出功率。

傳統的轉速反饋控制方案中，一般根據外界環境以及風輪機特征參數計算出給定參考值，并與電機的觀測值相比較得到誤差量，通過簡單的PI調節器給出勵磁電流的值?？紤]到SRG非線性，同時為了避免風速突變引起系統的不穩定，本文采用改進型的轉速反饋方案，選用二維模糊PI控制器，跟隨工況變化自動整定PI調節器的KP、KI參數值，進而調整勵磁電流的步長。選擇ωr及其變化量Δωr作為模糊控制器的輸入，KP、KI參數作為模糊控制器的輸出。按設計需要，將ωr、Δωr的論域分別表示為如下等級的模糊語言變量：{B，M，S，Z}，{NB，NM，S，PM，PB}，其隸屬度函數如圖4所示。

假設系統已工作在穩定狀態，當風速上升時，SRG轉速上升，功率差正向增大，此時取較大的KP和KI，允許轉速有一定超調；當風速下降時，取更大的KP和KI，避免轉速下降幅度過大導致發電機堵轉；當系統趨于穩定時，為了避免在最佳功率點處來回振蕩，取較小的KP和KI。由上述控制思路，確定模糊規則如表1、表2所示[12]。

解模糊過程采用重心法，得到模糊邏輯控制器輸出的PI參數值，計算公式如下：

圖4　模糊控制器輸入量的隸屬度函數

?????KEK N B 　B 　B 　B 　B N M 　M 　M 　B 　B S 　S 　S 　M 　B P M 　S 　M 　M 　M P B 　B 　M 　M 　B E C

? ? ? ?? K K N B 　B 　M 　M 　BNM 　M 　M 　B 　BS 　Z 　S 　M 　MP M 　S 　M 　M 　M P B 　M 　S 　S 　M E C E

由于SRG本身所具有的非線性，僅依靠傳統轉速反饋控制中簡單的PI調節并不能獲得良好的動態特性。本文采用了改進型的轉速反饋控制，同時進行轉速及其變化率的判別，自動調節PI參數完成自尋優過程。該方法具備良好的動態響應，能避免功率控制中的較大擾動，而且簡單易行，不必知道整個系統精確模型，減少了設計難度。

2 仿真研究

分析SRG的數學模型，由前文所述MPPT算法，在Matlab平臺上進行仿真研究，相關參數如下：風力機半徑R=2 m，最佳葉尖速比λopt=6，槳葉節距角β=0°，最大風能利用系數Cpmax=0.36，空氣密度ρ=1.25 kg/m3，發電機與風輪機軸間通過增速比N=10的變速齒輪箱連接，即SRG旋轉角速度ωr和風力機機械角速度ωm滿足：ωr=10 ωm；四相SRG，8/6極，額定功率為750 W，額定轉速為2 000 r/min，為抑制電壓紋波，輸出端并聯濾波電容C=1 000 μF，負載RL=5 Ω，風速v在3～7 m/s范圍內變化。

2.1穩態特性

風速恒定時，SRG轉速恒定，系統穩定運行在最大功率點處。設v=3 m/s，由式(2)、式(3)可計算出，此時對應的電機轉速參考值應為90 rad/s，風輪機最大輸出功率為76.3 W，系統的仿真結果如圖5所示。由仿真結果易知，SRG的實際轉速和輸出功率都與理論值吻合，經過0.2 s左右的過渡時間，系統穩定運行在最優工作點，靜態性能理想，驗證了SRG非線性模型和MPPT控制策略的正確性。

圖5　風速3 m/s時SRG的靜態輸出

再令風速v=6.42 m/s，由式(2)、式(3)可計算出，對應的電機轉速參考值應為192.6 rad/s，風輪機最大輸出功率為747.9 W，仿真結果如圖6所示。由圖6知，系統經過短暫的調節便可實現最大功率跟蹤，響應迅速。同時該風速下，SRG的最優工作點即為額定狀態，SRG穩定運行于額定轉速和額定功率。由于滿負載運行，SRG的輸出功率振蕩比較低風速時段而言略大，但是仍在允許范圍內。

圖6　風速6.42 m/s時SRG的靜態輸出

2.2動態特性

當風速變化，風輪機對發電機的驅動轉矩Td不再為恒值，SRG的轉速隨之發生變化。由式(2)、式(3)可計算得：當風速v 為4、5 m/s時對應電機轉速給定值分別為120、150 rad/s，風力機最大機械功率分別為180.7、353.3 W。先擬定工況A：1 s時刻風速由4 m/s階躍上升至5 m/s，仿真結果如圖7所示。

圖7　風速4 m/s上升至5 m/s時SRG動態輸出

由仿真結果可看出，系統能夠平穩輸出，電機轉速在風速突變前后都能很好地逼近給定參考值，實現最大功率點的跟蹤。在風速突變時刻，動態響應迅速，電機轉速和輸出功率僅需短暫的過渡時間就能找到新的最佳工作點并穩定運行。

再擬定仿真工況B：1 s時刻風速由4 m/s階躍下降至3 m/s，仿真結果如圖8所示。由圖8易知，SRG轉速由120 rad/s下降至90 rad/s左右，輸出功率由180.7 W下降為76.3 W，與理論值相符，能快速完成相應風速下的自尋優過程，表明基于本文所采用的MPPT控制算法可使系統對風速變化具有良好的抗擾性能和動態響應能力，SRG的輸出功率諧波含量理想，能夠滿足用戶需求。此外，在風速減小的工況下，系統未出現電機堵轉等不穩定情況。綜合上述穩態、動態特性仿真結果也可看出，SRG風力發電系統更適合于中低速、小功率的發電場合，電機輸出功率振蕩較小，電能質量更為理想。

圖8　風速4 m/s下降至3 m/s時SRG動態輸出

3 結論

本文基于SRG的實際特性分析了其數學模型，驗證了模型的正確性，并針對SRG的非線性和實際工況風力機輸出功率最優化的需求，提出一種最大功率跟蹤的實現方法，在傳統轉速反饋控制的基礎上加以改進，增加電機轉速變化率的判定環節以明確系統工作區域，并基于模糊PI控制器實現參數的自整定，通過勵磁電流控制SRG輸出功率達到匹配值，完成功率跟蹤。仿真結果證明該方法在風速恒定、風速突增、風速突降的工況下都能得到所希望的輸出電能，動靜態環境中都能良好地逼近最佳工作點，輸出穩定，達到理想的控制效果，對SRG風力發電系統的工程應用具有指導意義。

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Research on MPPT control for SRG wind power generation system

HUANG Zhao,CHENG Jiang-zhou,WAN Jun-li
(College of Electrical Engineering and New Energy,Three Gorges University,Yichang Hubei 443002,China)

Taking the Switched Reluctance Generator(SRG)with 8 stator poles＆amp;6 rotor poles for example, considering the nonlinear characteristics of SRG,a developed rotational speed feedback control strategy based on fuzzy PI controller for maximum power point tracking(MPPT)was presented.The parameters for PI were adjusted and the excitation current was regulated automatically by comprehensive judgments of rotational speed and its error signal to control output electric power of the SRG machine,to optimize the mechanical power of wind turbine.The system operation capability could be improved.Simulation models of SRG wind power system with proposed MPPT control scheme proposed were established based on MATLAB platform.The results show the correctness of SRG nonlinear models and reliability of the MPPT algorithm,showing that SRG outputs could follow the theoretical maximum values at stable conditions or variable working situation,therefore excellent static and dynamic performances could be obtained.

switched reluctance generator;maximum power point tracking;excitation current;rotational speed feedback

TM 614

A

1002-087 X(2016)01-0162-04

2015-06-15

湖北省自然科學基金項目(2010CDB10803)；三峽大學人才科研啟動基金(KJ2012B047)

黃曌(1985—)，女，湖南省人，碩士，講師，主要研究方向為電力電子裝置與系統。