電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)MPPT控制策略的對(duì)比

周興偉，周 波，郭鴻浩，劉 穎

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，變速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。額定風(fēng)速以下，對(duì)機(jī)組進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤控制，使機(jī)組在不同的風(fēng)速下運(yùn)行于相應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，可以提高風(fēng)輪機(jī)的捕獲效率［1-2］。目前MPPT控制實(shí)現(xiàn)方法主要有3種：葉尖速比法［3］、功率信號(hào)反饋法［4］和擾動(dòng)觀察法［5］。

電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且氣隙磁通可方便調(diào)節(jié)，容易實(shí)現(xiàn)故障滅磁，提高了系統(tǒng)的可靠性［6］。電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了其在風(fēng)電領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿εc研究價(jià)值。

本文以48/32極10 kW電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)為對(duì)象，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法控制策略，通過控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的MPPT控制，并對(duì)兩種控制策略性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)MPP控制策略

電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Tp為p相轉(zhuǎn)矩；Tpr為 p相磁阻轉(zhuǎn)矩；Tpe為p相勵(lì)磁；ip為p相電流；Lp為p相自感；if為勵(lì)磁電流，Lpf為p相繞組與勵(lì)磁繞組互感。

不考慮摩擦，系統(tǒng)機(jī)械方程為

式中：Tw為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由式（1）知：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流可以控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，通過式（2）得到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。所以，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行以達(dá)到MPPT控制的目的。

1.1 葉尖速比法

葉尖速比法控制框圖如圖1所示。具體過程是：根據(jù)風(fēng)速v計(jì)算當(dāng)前風(fēng)速下風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行的最佳轉(zhuǎn)速ωopt，將最佳轉(zhuǎn)速ωopt與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到勵(lì)磁電流給定i*f，再與實(shí)際勵(lì)磁電流if比較后經(jīng)滯環(huán)控制，得到勵(lì)磁功率電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的MPPT控制。

圖1 葉尖速比法控制框圖

1.2 功率信號(hào)反饋法

功率信號(hào)反饋法控制框圖如圖2所示。具體過程是：通過位置傳感器求取機(jī)組當(dāng)前的轉(zhuǎn)速ω，查表獲得對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的最大功率Popt，將最大功率Popt與機(jī)組實(shí)際輸出功率Pout進(jìn)行比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到勵(lì)磁電流給定i*f，再與實(shí)際勵(lì)磁電流if比較后經(jīng)滯環(huán)控制，得到勵(lì)磁功率電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

圖2 功率信號(hào)反饋法控制框圖

2 MPPT控制策略的建模及仿真研究

表1 電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

基于上述理論及其控制策略，下面對(duì)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比分析。在MATLAB/simulink中搭建了系統(tǒng)的仿真模型［7］，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

階躍變化的風(fēng)速在評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的較苛刻工況時(shí)被廣泛采用［8］，而隨機(jī)風(fēng)是更接近與自然風(fēng)的風(fēng)速模型，本文采用階躍風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)作為風(fēng)速模型以驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略的有效性并對(duì)其控制效果進(jìn)行對(duì)比。

圖3和圖4分別給出了階躍風(fēng)速下葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法的仿真結(jié)果，其中風(fēng)速在10 s時(shí)由8 m/s階躍上升至9 m/s。由仿真結(jié)果可知：在階躍風(fēng)下，葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法均能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。當(dāng)風(fēng)速階躍上升時(shí)，葉尖速比法的轉(zhuǎn)速參考增加，PI調(diào)節(jié)后勵(lì)磁電流參考減小，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降使機(jī)組升速，直到高于當(dāng)前風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電流參考開始增加，機(jī)組減速，經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程到達(dá)穩(wěn)態(tài)；而功率信號(hào)反饋法在功率外環(huán)影響下，風(fēng)速階躍上升時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，參考功率增加，故勵(lì)磁電流參考增加，當(dāng)輸出功率增加到大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的參考輸出功率，勵(lì)磁電流開始減少，如此調(diào)節(jié)，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間到達(dá)新的風(fēng)速下的穩(wěn)態(tài)。

圖3 階躍風(fēng)速下葉尖速比法仿真結(jié)果

圖4 階躍風(fēng)速下功率信號(hào)反饋法仿真結(jié)果

圖5 隨機(jī)風(fēng)速下葉尖速比法仿真波形

圖6 隨機(jī)風(fēng)速下功率信號(hào)反饋法仿真波形

兩種控制策略相比，當(dāng)風(fēng)速階躍上升時(shí)，功率信號(hào)反饋法中，勵(lì)磁電流在功率外環(huán)的作用下直接上升，經(jīng)過一定時(shí)間到達(dá)穩(wěn)態(tài)，而葉尖速比法勵(lì)磁電流在轉(zhuǎn)速外環(huán)作用下經(jīng)過一個(gè)先下降再上升的過程，所以功率信號(hào)反饋法勵(lì)磁電流脈動(dòng)較小。但是階躍風(fēng)速下葉尖速比法調(diào)節(jié)時(shí)間比功率信號(hào)反饋法短。

圖5和圖6分別給出了隨機(jī)風(fēng)速下葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法的仿真結(jié)果。可以看出，在隨機(jī)風(fēng)下，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速能夠跟隨風(fēng)速變化而變化，兩種控制策略的風(fēng)能利用系數(shù)都能較好地穩(wěn)定在最大值0.343，即系統(tǒng)在隨機(jī)風(fēng)下能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。兩種控制策略相比，功率信號(hào)反饋法的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流脈動(dòng)較小。

綜合以上仿真結(jié)果，不難得出：葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法均能實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下機(jī)組最大功率的輸出，說明了調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)MPPT控制的正確性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。在階躍風(fēng)速下葉尖速比法較功率信號(hào)反饋法系統(tǒng)響應(yīng)更快；但在階躍風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)下，功率信號(hào)反饋法轉(zhuǎn)速更加平穩(wěn)，勵(lì)磁電流脈動(dòng)更小，即功率信號(hào)反饋法的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，更有利于延長機(jī)組壽命。

3 MPPT控制策略的實(shí)驗(yàn)比較研究

基于以上理論分析和仿真研究，在實(shí)驗(yàn)室電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)MPPT控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。平臺(tái)采用直流電機(jī)模擬風(fēng)輪機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖7和圖8分別給出了階躍風(fēng)速下發(fā)電機(jī)輸出接純阻性負(fù)載時(shí)葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)速在t1時(shí)刻由8 m/s階躍至9 m/s。如圖7所示，當(dāng)系統(tǒng)采用葉尖速比法控制時(shí)，t1時(shí)風(fēng)速階躍上升，由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，轉(zhuǎn)速不能突變，故發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速小于參考轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速外環(huán)和勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的作用下勵(lì)磁電流減小，直至t2時(shí)刻，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始升高，勵(lì)磁電流開始逐漸增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高直到t3時(shí)刻達(dá)到最大值，之后機(jī)組轉(zhuǎn)速開始逐漸下降，經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，直到t4時(shí)機(jī)組再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)采用功率信號(hào)反饋法控制時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，風(fēng)速階躍上升，轉(zhuǎn)速開始逐漸增加，此時(shí)機(jī)組輸出功率小于當(dāng)前參考功率，勵(lì)磁電流在功率外環(huán)和勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)作用下增加，直到t2時(shí)刻轉(zhuǎn)速到達(dá)最大值，此時(shí)系統(tǒng)輸出功率大于參考功率，勵(lì)磁電流開始下降，經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，直到t3時(shí)刻系統(tǒng)到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)。

圖7 階躍風(fēng)速下葉尖速比法實(shí)驗(yàn)波形

圖8 階躍風(fēng)速下功率信號(hào)反饋法實(shí)驗(yàn)波形

階躍風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大風(fēng)能跟蹤，驗(yàn)證了以上理論分析和仿真結(jié)果的正確性。兩種控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，葉尖速比法的調(diào)節(jié)時(shí)間較短，但是其勵(lì)磁電流經(jīng)過一個(gè)先下降再上升的調(diào)節(jié)過程，故其勵(lì)磁電流脈動(dòng)較大，即發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。此外，不難看出：葉尖速比法的風(fēng)能利用系數(shù)較功率信號(hào)反饋法明顯波動(dòng)大，即功率信號(hào)反饋法能夠更好地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。綜上所述，階躍風(fēng)速下，功率信號(hào)反饋法的最大風(fēng)能跟蹤效果優(yōu)于葉尖速比法。

圖9和圖10分別給出了隨機(jī)風(fēng)速下發(fā)電機(jī)輸出接純阻性負(fù)載時(shí)葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。兩種控制策略相比，功率信號(hào)反饋法轉(zhuǎn)速比葉尖速比法更平穩(wěn)，葉尖速比法的風(fēng)能利用系數(shù)有明顯波動(dòng)，而功率信號(hào)反饋法能夠較好地穩(wěn)定在最大值0.343，說明功率信號(hào)反饋法能夠更好地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。綜上所述，隨機(jī)風(fēng)速下，功率信號(hào)反饋法能夠更好地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。

圖9 隨機(jī)風(fēng)下葉尖速比法實(shí)驗(yàn)波形

圖10 隨機(jī)風(fēng)下功率信號(hào)反饋法實(shí)驗(yàn)波形

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不難得到系統(tǒng)在階躍風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)下均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT控制。兩種控制策略相比，功率信號(hào)反饋法的勵(lì)磁電流脈動(dòng)小，即發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，有利于延長機(jī)組壽命；其風(fēng)能系數(shù)比葉尖速比法能更好地穩(wěn)定在最大值0.343。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明功率信號(hào)反饋法控制效果優(yōu)于葉尖速比法。

4 結(jié)語

本文在分析電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制策略的基礎(chǔ)上，運(yùn)用葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法，通過控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明功率信號(hào)反饋法運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，有利于延長機(jī)組壽命，并且其風(fēng)能利用系數(shù)能夠較好地保持在最大值，能夠更好地進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤。所以在電勵(lì)磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中功率信號(hào)反饋法MPPT控制效果優(yōu)于葉尖速比法。

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