基于直驅型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的變槳自抗擾控制

摘要：為了實現(xiàn)大功率風力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率控制，首先建立了基于直驅型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型；其次，以功率偏差為控制器的輸入信號，設計了一種基于自抗擾算法的風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。最后，在陣風疊加隨機風的作用下進行仿真研究。仿真結果表明，該控制器能夠有效地控制槳距角，可以實現(xiàn)額定風速以上時系統(tǒng)輸出功率的恒定。
關鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng)；恒功率；自抗擾；變槳距控制器

0 引言
風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，風力發(fā)電是風能最常見的利用形式。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)不需要勵磁裝置，具有重量輕，效率高，可靠性好的優(yōu)點。風力發(fā)電機組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型，從轉速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術最為先進的變速變槳距型，發(fā)電效率在顯著提高。特別是變速變槳距機組，其發(fā)電機中采用的變速恒頻技術提高了風力發(fā)電機組在低風速情況下的出力水平。采用永磁式發(fā)電機的直驅風力發(fā)電系統(tǒng)，無需外部提供勵磁電源，把永磁發(fā)電機變頻的交流電通過變頻器轉變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，省去齒輪箱，大大減小了系統(tǒng)的運行噪聲，提高了可靠性，降低了系統(tǒng)成本，成為當前風力發(fā)電的研究熱點。直驅型PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵在于額定風速時的變槳距控制。變槳距風力發(fā)電機組的槳距參考值可由風速、電動機轉速和發(fā)電機輸出功率3個參數(shù)來獨立控制。文獻提出一種由槳距角大小來調(diào)節(jié)控制器增益的控制策略，即在原有PI控制系統(tǒng)中加入一個增益調(diào)整控制器。由于PI控制器缺少微分調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的動態(tài)性能受到一定影響。文獻設計了模糊PID控制器對槳距角進行控制。輸入信號的誤差為e和誤差變化率為ec，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)的自整定要求，從而得到槳距角變化目標的最佳調(diào)整。模糊PID控制器系統(tǒng)設計的核心為模糊控制規(guī)則設計，根據(jù)工程人員的實際操作經(jīng)驗和技術知識得到。本文設計了一種基于自抗擾控制算法的控制器，該控制器的參數(shù)調(diào)整可不依賴于實際經(jīng)驗，并能獲得更好的控制效果。仿真結果驗證了控制方法的有效性。

1 直驅型PMSG風力發(fā)電機組建模
1．1 風輪機模型
根據(jù)貝茲理論，風輪機產(chǎn)生的機械功率為：

式中：ρ為空氣密度；Rt為風力機風輪半徑；v為風速；Cp(λ，β)為風能轉換系數(shù)，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)；葉尖速比λ為風輪葉尖線速度與風速之比，即；Ω1為風輪的機械角速度。
風輪機產(chǎn)生的風力矩：

式中：CΓ(λ，β)為轉矩系數(shù)，CΓ(λ，β)=Cp(λ，β)／λ。
在額定風速以下時，槳距角β為常值0。在額定風速以上，風能轉換系數(shù)滿足以下函數(shù)關系：

1．2 PMSG模型
在分析永磁同步電機的基本電磁關系時，假定永磁同步電機為理想電機，即滿足：
(1)忽略鐵心磁飽和的影響，不計渦流及磁滯損耗；
(2)永磁材料的電導率為零；
(3)轉子上沒有阻尼繞組；
(4)定子三相對稱，感應電動勢為正弦。
此時經(jīng)過帕克變換后，在d-q軸坐標系下，PMSG的數(shù)學模型如下：

式中：R為定子電阻；ud(t)，uq(t)為d軸和q軸的定子電壓；Ld，Lq為d軸和q軸的定子電感；φm為永磁體產(chǎn)生的磁通；轉子旋轉的電角速度ωs(t)=p×Ωh(t)，d-q軸坐標系以電角速度ωs(t)隨轉子一同旋轉。
PMSG的電磁轉矩為：