一種風(fēng)力發(fā)電機功率的自適應(yīng)控制器設(shè)計

羅小鎖

摘要：針對風(fēng)力發(fā)電機功率控制系統(tǒng)，本文提出一種自適應(yīng)控制方法。首先得到風(fēng)力發(fā)電機功率模型，然后根據(jù)該模型設(shè)計自適應(yīng)控制器，最終通過仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;功率模型;自適應(yīng)控制

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0025-02

21世紀(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是發(fā)展清潔能源，為未來的技術(shù)提供動力。工程師們已經(jīng)開發(fā)出風(fēng)能作為一種合適的能源解決方案。風(fēng)力發(fā)電是世界上增長最快的清潔能源[1]。

如今，大多數(shù)風(fēng)電場都位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，以最大限度地獲取風(fēng)能，因此需要圍繞維護活動進行仔細(xì)規(guī)劃，以保持對風(fēng)電場的訪問頻率較低。風(fēng)力渦輪機的運營商正在尋求最大限度地利用這些渦輪機生產(chǎn)電力，同時將運營成本保持在最低水平。這就需要研究提高風(fēng)力渦輪機運行可靠性和成本效益的方法。

風(fēng)力機工作原理為風(fēng)能分別通過葉片、傳動系和發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機械能和電能。葉片通過輪轂連接到低速軸上。這種低速軸通過齒輪系統(tǒng)連接到高速軸上，用來在發(fā)電機上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，從而產(chǎn)生所需的電力[2-3]。風(fēng)力發(fā)電機建模設(shè)計到各個子系統(tǒng)，而每個子系統(tǒng)需要達(dá)到滿意的控制效果，其中功率控制至關(guān)重要，研究方法諸多，本文提出一種基于變區(qū)域自適應(yīng)控制的功率控制器，達(dá)到良好的控制效果。

1 風(fēng)力發(fā)電機功率模型

為了進一步研究風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)，需要建立風(fēng)力發(fā)電機組的模型。建模所考慮的部件包括風(fēng)模型、氣動模型、俯仰系統(tǒng)模型、傳動系統(tǒng)模型、發(fā)電機和變流器模型。模型的方程可由文獻(xiàn)[4]和[5]得到。本文以發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機產(chǎn)生的功率為建模量，模型如圖1所示。轉(zhuǎn)矩的動力學(xué)可以用一階時滯系統(tǒng)來建模。

2 風(fēng)力發(fā)電機功率自適應(yīng)控制器

該風(fēng)力發(fā)電機功率自適應(yīng)控制器工作在兩個區(qū)域，區(qū)域Ⅰ表示功率優(yōu)化區(qū)域，區(qū)域Ⅱ表示功率參考區(qū)域，以100HZ的頻率實施，控制器以區(qū)域Ⅰ啟動。區(qū)域分布如圖2所示。

從風(fēng)力發(fā)電機組功率工作區(qū)域分布圖可以看出，風(fēng)力發(fā)電機僅能在有限的區(qū)域內(nèi)工作，具體可分為區(qū)域I和區(qū)域II，分別表示部分負(fù)載區(qū)域和滿負(fù)載區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，即在進入I區(qū)以前，風(fēng)力渦輪機不工作，不產(chǎn)生任何電能，風(fēng)機處于待機狀態(tài)，因為在此區(qū)域內(nèi)運行成本超過了其所產(chǎn)生電能的價值。同樣的，當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，即在II區(qū)以后，也沒有電能產(chǎn)生，因為在超出切出風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機被停止運行，從而保護它免受結(jié)構(gòu)性過載。所以風(fēng)機的功率控制主要集中在區(qū)域I和區(qū)域II。

3 仿真實例

為了驗證所提控制器的有效性，滿足恒功率因素輸出要求，以風(fēng)力發(fā)電機組功率作為控制目標(biāo)。設(shè)置功率的參考值為[Pg，ref]=30 KVar。參考功率與實際功率跟蹤曲線如圖3所示，在所提出的控制策略下，達(dá)到了良好的調(diào)節(jié)效果。

4 結(jié)論

本文針對風(fēng)力發(fā)電機功率控制系統(tǒng)，設(shè)計一種自適應(yīng)控制器。自適應(yīng)表現(xiàn)在通過不同區(qū)域設(shè)計不同的控制器，得到控制輸出。并且通過仿真實驗，驗證了控制器的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋卓彥， 王錫凡， 滕予非， 等. 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2010， 34（10）： 8-17.

[2] 楊茂， 楊瓊瓊. 風(fēng)電機組風(fēng)速-功率特性曲線建模研究綜述[J]. 電力自動化設(shè)備， 2018， 38（2）： 34-43.

[3] 陳柳， 羅治偉， 張虎，等. 雙饋式風(fēng)電機組的自適應(yīng)Super-twisting功率控制[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報， 2018， 41（4）： 20-28.

[4] P. F. Odgaard， J. Stoustrup， M. Kinnaert. Fault-Tolerant Control of Wind Turbines： A Benchmark Model[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2013， 21（4）： 1168-1182.

[5] L. L. Fan， Y. D. Song. Model reference adaptive fault-tolerant control with application to wind turbines[J]. IET Control Theory & Applications， 2011， 6（4）： 1314-1319.

【通聯(lián)編輯：梁書】