基于智能控制的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及算法研究

摘?要：本文設(shè)計(jì)一套2kW直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以仿真各種風(fēng)況下直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性。針對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，提出了基于Matlab優(yōu)化的變增益變槳控制策略。算例分析表明所提控制算法能夠起到抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)的作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；變增益變槳控制

1?簡介

通過直驅(qū)機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以降低不成熟控制實(shí)驗(yàn)安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)，也可以解決實(shí)際風(fēng)場中由于風(fēng)速隨機(jī)性難以開展實(shí)驗(yàn)的問題［13，5］。

2?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)一套由PLC主控系統(tǒng)、模擬風(fēng)輪系統(tǒng)、永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、操作面板系統(tǒng)組成的2kW直驅(qū)機(jī)組物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示，操作面板系統(tǒng)主要進(jìn)行模式切換、啟動(dòng)、停機(jī)等工作。PLC主控系統(tǒng)主要進(jìn)行智能算法運(yùn)行，發(fā)出操作指令。模擬風(fēng)輪系統(tǒng)主要接受PLC或操作面板發(fā)出的操作指令，產(chǎn)生響應(yīng)并反饋給PLC。永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由拖動(dòng)電機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)機(jī)械組成。

3?算法設(shè)計(jì)

主程序控制流程如圖2所示，智能算法由電磁轉(zhuǎn)矩控制、槳距角控制和濾波器三部分組成。

3.1?電磁轉(zhuǎn)矩控制

直驅(qū)型發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程［4］：

Te=32n·φPM·isq（1）

式（1）中，φPM為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，isq為q軸電流，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩Te與q軸電流分量成正比關(guān)系。按照預(yù)先設(shè)定的工作點(diǎn)計(jì)算出電磁轉(zhuǎn)矩Te，再反推出isq。

如圖3所示，當(dāng)機(jī)組在高于額定工作點(diǎn)運(yùn)行，機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩Te維持在額定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。在額定工作點(diǎn)以下運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩Te在線ABCD上運(yùn)行［68］。

當(dāng)轉(zhuǎn)速位于BC段時(shí)風(fēng)電機(jī)組追蹤最佳葉尖速比λopt。

Kopt=ρπR5Cpmax2λopt3G3（2）

Topt=Koptω2（3）

式中，ω為發(fā)電機(jī)角速度；R為葉輪半徑；G為齒輪箱速比；Kopt為轉(zhuǎn)矩最佳控制系數(shù)［911］。

3.2?槳距角控制

當(dāng)來流風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組槳距角追蹤最優(yōu)槳距角；高于額定風(fēng)速時(shí)，通過變增益PI控制使控制器參數(shù)追蹤槳距角［912］。

PI變換傳遞函數(shù)：

Cs=β（s）ωerr（s）=Kp2+Ki2s（4）

式中，Kp2和Ki2為PI系數(shù)。

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組模型的SYSTURB結(jié)構(gòu)通過Bladed中的線性化處理得到，以下方程系數(shù)矩陣即為該結(jié)構(gòu)的A、B、C、D矩陣。

x·=Ax+Bu（5）

y=Cx+Du（6）

A=x·1x1?x·1x2?…?x·1xn

x·nx1?x·nx2?…?x·nxn?B=x·1u1?x·1u2?…?x·1um

x·nu1?x·nu2?…?x·num（7）

C=y1x1?y1x2?…?y1xn

ypx1?ypx2?…?ypxnD=y1u1?y1u2?…?y1um

ypu1?ypu2?…?ypum（8）

高于額定風(fēng)速時(shí)，通過計(jì)算每個(gè)風(fēng)速點(diǎn)的參量Kp2和Ki2的最優(yōu)值來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組變增益槳距角控制，保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出額定功率。

3.3?濾波器

機(jī)組轉(zhuǎn)速在運(yùn)行中受風(fēng)速影響隨時(shí)變化，為減少冗余動(dòng)作所采用低通濾波器形式為：

11+2ξsω+s2ω2（9）

4?計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1?正常湍流模型

正常湍流模型下，平均風(fēng)速為8m/s時(shí)控制算法結(jié)果與Bladed仿真對比如圖4所示。

圖4（a）為槳距角對比，低于額定風(fēng)速時(shí)，兩個(gè)仿真計(jì)算的槳距角都保持在最佳槳距角不變。

圖4（b）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對比，可以看到與Bladed仿真得到的轉(zhuǎn)矩相比，所提算法算的轉(zhuǎn)矩更加平滑。因?yàn)橐霝V波器減少了冗余動(dòng)作。

圖4（c）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對比，可以看出PLC控制與Bladed仿真得到的轉(zhuǎn)速基本一致。

圖4（d）為發(fā)電量對比，可以看到控制算法仿真的發(fā)電量比Bladed仿真的發(fā)電量更加平滑。因?yàn)楣β蕿檗D(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積，當(dāng)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制越平滑則功率控制越平滑。

4.2?極端相干陣風(fēng)

風(fēng)況：在5s內(nèi)風(fēng)速從13m/s提升到21m/s。

圖5（a）為槳距角對比，與Bladed模擬仿真的槳距角相比控制算法所得的槳距角提前變化。這是由于不同控制算法下PI增益不同。

圖5（b）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對比，可以看到高于額定風(fēng)速時(shí)轉(zhuǎn)矩均為額定轉(zhuǎn)矩。與圖3相一致。

圖5（c）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對比，與Bladed仿真結(jié)果相比控制算法計(jì)算的轉(zhuǎn)速曲線與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的偏差更小。說明所提變增益PI控制有效地規(guī)避了超速現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5（d）為發(fā)電量對比，與Bladed仿真結(jié)果相比控制算法計(jì)算的發(fā)電量與額定功率的偏差更小。因?yàn)楣β蕿檗D(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積，轉(zhuǎn)矩相同的情況下，轉(zhuǎn)速越接近額定轉(zhuǎn)速，輸出功率越接近額定功率。

5?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套2kW直驅(qū)機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以仿真模擬各種復(fù)雜風(fēng)況下風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性；研究了最大風(fēng)能追蹤控制算法和變增益變槳控制算法；通過對比所提控制算法與Bladed仿真結(jié)果，證明了所提控制策略的有效性。

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作者簡介：韋橋斌（1981—?），男，廣西百色人，學(xué)士，中級工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組智能預(yù)警診斷。