改進直接轉(zhuǎn)矩控制在海上風力機模擬中的應(yīng)用

袁曉玲，黃宇宙，易文杰，劉皓明

(河海大學能源與電氣學院，南京市211100)

0 引言

隨著對風能的開發(fā)利用，人們把視線逐漸投向了更具前景的海上風電，在海上風電的開發(fā)利用中，永磁直驅(qū)風力發(fā)電機相對于雙饋異步發(fā)電機顯現(xiàn)出了其固有的優(yōu)勢［1-2］。但是實驗室并不具備自然條件下的海上風場環(huán)境，因此如何在實驗室條件下對風力機進行模擬是必要的。目前有文獻探討了實驗室風力機的模擬，但并沒有針對運行于低速范圍內(nèi)的海上永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行特定研究［3］。實驗室風力機模擬主要基于直流電機和異步電機，直流電機調(diào)速性能優(yōu)異，但存在電刷和滑環(huán)且僅限于模擬小功率風力機［4］。文獻［5］進行了基于無刷直流電機的改進，但電機本身及控制系統(tǒng)的復(fù)雜性限制了它的應(yīng)用?；诋惒诫姍C的風力機模擬系統(tǒng)主要采用高性能交流調(diào)速技術(shù)控制，其缺點是低速范圍內(nèi)的控制性能較差［6］。文獻［7］進行了基于控制算法改進的研究，但這并沒有從根本上改變模擬系統(tǒng)中電機參數(shù)變化的缺點，使其并不能很好地適用于低速運行的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機。

為適應(yīng)低轉(zhuǎn)速的海上永磁直驅(qū)風機，本文采用基于定子磁鏈自適應(yīng)觀測器和定子電阻在線辨識改進的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在保留直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制簡單、響應(yīng)迅速、安全可靠等優(yōu)點的同時改善其在低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點。

1 風力機模型及其運行特性

風力機是捕獲風能，將風能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。本文的風力機數(shù)學模型采用基于Betz理論建立的風力機空氣動力學模型機［8］，其輸出轉(zhuǎn)矩如式(1):

式中:ρ為空氣密度;v為風速;R為葉片半徑;CT=Cp/λ，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cp為風能利用系數(shù)，λ為葉尖速比，如式(2):

式中:C1=0.5176，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068;空氣密度ρ=1.224 kg/m3，β為槳距角，為簡化起見，本文采用定槳距系統(tǒng)，β=0。

圖1 風力機t－ω曲線Fig.1 t－ω curves of wind turbine

2 改進直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，計算與控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)產(chǎn)生PWM波信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)省去了復(fù)雜的矢量變換與電機數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接。但由于系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器以及定子電阻隨電機溫度變化導致直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時轉(zhuǎn)矩脈動大。

本文基于全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器和定子電阻在線辨識，降低直接轉(zhuǎn)矩控制低速時的脈動。

2.1 全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器

傳統(tǒng)的磁鏈觀測模型為U-n，I-n或者U-I等開環(huán)估計模型［9］，但是在低速范圍內(nèi)，由于定子電阻壓降的影響，3種磁鏈觀測模型都不能準確地對電機磁鏈進行精確觀測，甚至不能正常工作，因此有必要對其進行改進。本文采用閉環(huán)自適應(yīng)觀測器建立全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測模型。兩相靜止坐標系下，以X=為狀態(tài)變量的異步電機數(shù)學模型為

以實際電流is和觀測電流的差值構(gòu)成自適應(yīng)校正項，則有［10］:

MDEA溶液吸收性能評價裝置主要由溶液吸收解吸系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、在線分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，溶液吸收解吸系統(tǒng)的有效容積為300 m L，內(nèi)置磁力攪拌器和鼓泡吸收管，利用溫度控制系統(tǒng)對其溫度進行控制，控溫范圍為5～250℃，恒溫波動不大于0.05℃，通過前、后背壓閥控制其壓力，控壓范圍為0～10 MPa，精度可達±0.1 MPa。分別將PT100型溫度變送器、3051TA型壓力變送器、LXI-B型氣體流量計以及EC9820型二氧化碳在線分析儀、EC9852型硫化氫在線分析儀經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與微型計算機相連，對整個裝置的運行狀況進行監(jiān)視和調(diào)整。

根據(jù)式(5)得全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測模型如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)定子磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Observer structure of adaptive full-order stator flux

2.2 定子電阻在線辨識

電機運行時，定子電阻不是固定的，其阻值會隨著電機溫度的變化而呈現(xiàn)非線性變化，極端情況甚至能夠達到靜態(tài)值的1.49倍［11］。同時，電機在低速運行時會受電機本身參數(shù)變化的影響，相對于其他參數(shù)，定子電阻變化是影響電機運行的主要因素，并且轉(zhuǎn)速越低影響越大，因此有必要對其進行在線辨識［12］。

在電機靜態(tài)參數(shù)已知的情況下，把電機動態(tài)的定子電阻當作未知變量進行在線辨識，由于電機的參數(shù)變化時間遠大于電磁時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速變化，因此利用系統(tǒng)的狀態(tài)誤差方程和Lyapunov穩(wěn)定性理論，可以推導出定子電阻在線辨識的系統(tǒng)解［13］。根據(jù)式(3)和(5)的差可得狀態(tài)誤差方程如式(6):

式中:η＞0為正常數(shù)。對上式求導并代入式(6)得:

要使觀測器穩(wěn)定，在合理選取增益矩陣K使得式(8)右端第一項為負的情況下使后2項之和為0，使式(8)為負定，即:

整理得:

式中Ki為積分系數(shù)，且Ki≤0。

3 仿真分析

3.1 仿真結(jié)構(gòu)圖

用異步電機模擬海上風力機，實際就是在已知風速的情況下，由異步電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模擬風力機的T－ω特性，使其隨著風速和給定葉尖速比的不同而平滑、快速、精確、穩(wěn)定地移動于各條特性曲線上。因此，把風速和反饋的異步電機轉(zhuǎn)速作為風力機數(shù)學模型的輸入信號，其輸出的轉(zhuǎn)矩信號作為電機的控制信號接入直接轉(zhuǎn)矩控制模塊，圖3為基于改進直接轉(zhuǎn)矩控制的海上風力機模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 改進直接轉(zhuǎn)矩控制海上風力機模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Simulation system structure of offshore wind turbine based on improved direct torque control

異步電機負載轉(zhuǎn)矩［14］為:

式中:λ*為給定的風力機葉尖速比;為給定葉尖速比下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)圖3和式(11)，建立風力機模擬系統(tǒng)仿真模型如圖4。

圖4 風力機模擬系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Simulation system of wind turbine

3.2 改進系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4所示的海上風力機模擬系統(tǒng)仿真中，設(shè)給定風速和給定葉尖速比分別為6 m/s和λopt=8.4，隨著轉(zhuǎn)速的上升，風力機最終穩(wěn)定在圖1所示的A點(ω =147 r/min，T=32.5 N·m)。

(1)自然條件下，風速不會固定不變，設(shè)風速由6 m/s上升為8 m/s，電機重新穩(wěn)定運行于B點(ω=195.8 r/min，T=57.5 N·m)，仿真結(jié)果如圖5(a)所示。

(2)若給定風速不變，給定葉尖速比由λopt=8.4上升為λ2=12，此時風力機由A點變化到C點(ω =209 r/min，T=26.4 N·m)穩(wěn)定運行，仿真結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 改進后海上風力機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化情況Fig.5 Torque and speed changes of offshore wind turbine after inproved

由圖5可知，當風速和葉尖速比已知時，模擬風力機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定運行在風力機輸出特性曲線上，且能夠隨著風速和給定葉尖速比的變化而迅速變化，響應(yīng)時間短，與圖1所示的風力機輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化吻合，由此可知，基于改進直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機有效地模擬了實際海上風力機輸出特性。

3.3 仿真結(jié)果對比與分析

基于永磁直驅(qū)同步發(fā)電機的風力機主要運行于低速范圍內(nèi)，因此以A點為例，當系統(tǒng)穩(wěn)定運行于A點，且設(shè)極端情況下定子電阻由1.824 Ω升高到2.75 Ω時，改進前后定子電流、輸出轉(zhuǎn)矩波動和磁鏈跟蹤結(jié)果如圖6。

圖6 定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩Fig.6 Stator currents and output torque fluctuations

由圖6可知，改進前后定子電流波動分別達到了±1.5 A和±0.5 A，可見改進后精度提高了66.7%，波動明顯減小;改進前后輸出轉(zhuǎn)矩波動分別為±7 N·m和±1 N·m，相對誤差由21.5%提高到了3.1%。由此可見，基于全階自適應(yīng)定子磁鏈觀測器改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在低速范圍內(nèi)電機的定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩波動有了明顯的改善，因此更適合應(yīng)用于低速運行的永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機模擬系統(tǒng)中。

圖7對比了改進前后定子電阻變化時的電機磁鏈觀測器的觀測結(jié)果，圖7(a)為無定子電阻在線辨識情況下，電機定子磁鏈給定值為0.8 Wb，但實際測量值為0.56 Wb，誤差達到30%;圖7(b)為基于定子電阻在線辨識改進后，電機定子磁鏈穩(wěn)定在0.82 Wb，誤差為2.5%。

圖8顯示了改進前直接轉(zhuǎn)矩控制因定子電阻變化而產(chǎn)生的影響，與圖5對比可知，由定子電阻改變而引起的磁鏈觀測誤差(如圖7(a)所示)使得風速增大時電機轉(zhuǎn)速并不增大，完全偏離如圖1所示的風力機輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化，最終導致控制失敗，結(jié)果如圖8(a)所示;當葉尖速比改變時雖然控制成功，但也引起了轉(zhuǎn)矩波動的進一步加大，如圖8(b)所示，由波動±1 N·m變?yōu)椤? N·m。對比分析可見，相對于傳統(tǒng)無定子電阻在線辨識改進的系統(tǒng)，異步電機控制系統(tǒng)受定子電阻變化的影響明顯減小，從而使系統(tǒng)魯棒性增強，能夠更精確的跟蹤磁鏈變化，控制性能明顯改善。

圖7 磁鏈觀測曲線Fig.7 Observed flux curve

圖8 海上風力機系統(tǒng)無定子電阻辨識的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化Fig.8 Torque and speed changes of offshore wind turbine without stator resistance observer

4 結(jié)語

本文分析了風力機的輸出特性，采用異步電機模擬風力機輸出特性實現(xiàn)海上風力機模擬控制?；谌A自適應(yīng)磁鏈觀測器和定子電阻在線辨識改進的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，有效地減小了系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩和電流脈動，使之更適用于低速轉(zhuǎn)動的永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng)。在改進直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)基礎(chǔ)上，利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺搭建了風力機模擬系統(tǒng)，模擬了風力機的輸出t－ω特性曲線。仿真結(jié)果表明基于改進直接轉(zhuǎn)矩控制的風力機模擬系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，并且有效跟蹤了不同風速和葉尖速比情況下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化，為海上風力機控制提供了模擬實驗控制基礎(chǔ)。

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