基于增益调度比例积分的永磁同步风力发电系统最大风能捕获控制策略

陈健　陈丽兵　周浩

【摘 要】风力发电系统所捕获的风能随风速的改变而变化。实现最大风能捕获是现代变速恒频风力发电系统的主要目标之一。本文在最优转矩控制策略的基础上，设计了增益调度比例积分控制来实现永磁同步风力发电系统的最大风能捕获。通过控制永磁同步发电机的定子电流跟踪其参考值，从而实现最大风能捕获。所采用的的控制策略不需要知道风速，可以省去风速仪装置。本文将通过Matlab/Simulink仿真测试来验证所提出控制策略的可行性和有效性。

【关键词】风力发电;最大功率追踪;永磁同步发电机;增益调度比例积分

中图分类号： TM614文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）33-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.001

Maximum Wind Energy Capture Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous Wind Power Generation System Based on Gain-Scheduling Proportional-Integral

CHEN Jian1 CHEN Li-bing1 ZHOU Hao2

（1.School of Electrical Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng Jiangsu 224051， China;

2.CQC New Energy Technology School， Nanjing College of Information Technology， Nanjing Jiangsu 210023， China）

【Abstract】The wind energy captured by a wind power system changes with wind speed. Achieving maximum wind energy capture is one of the main goals for modern variable-speed constant-frequency wind power generation system. Based on the optimal torque control strategy， the gain-scheduling proportional-integral control is designed to achieve the maximum wind energy capture of permanent magnet synchronous wind power generation system. The maximum wind energy is captured by controlling the stator currents of the permanent magnet synchronous generator to track their reference values， respectively. The adopted control strategy does not need to know wind speed， which can eliminate the anemometer device. This paper will verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy through Matlab/Simulink simulation test.

【Key words】Wind power generation;Maximum power tracking;Permanent magnet synchronous generator（PMSG）;Gain-scheduling proportional-integral（GSPI）

0 引言

近年来，随着能源危机和日趋严重的环境问题，可再生能源受到了越来越多的关注，比如：太阳能、风能、地热能、水能等。其中，风能因具备清洁和安全等优势已成长为增长最快且最有竞争力的可再生资源。在早期的风电市场中，定速定桨距风电发电系统得到了快速发展。其优点是结构简单不需要变流器，但缺点是效率较低、靠叶片气动特性和叶尖扰流器实现制动、有的配置单独的启动设备。随着电力电子技术的发展，变流器被应用于风力发电系统中，帮助风力发电机实现了变速恒频的目标。同时随着风力机设计、制造技术的发展，桨距角可以进行改变。现在的风电市场广泛采用这种变桨变速的并网风电机组。这种风电机组不仅可以在低于额定风速的工况下实现最大风能捕获，而且可以在高于额定风速的工况下通过对桨距角的控制实现风能捕获的限制。风电场所采用的的变速变桨风力发电系统主要分为两类：永磁同步风力发电系统和双馈风力发电系统。其中，永磁同步风力发电系统具有自励、低噪声、无齿轮箱、高扭矩等优点[1-2]。

如图1所示，永磁同步风力发电系统包括风机、永磁同步发电机、电机侧变流器、直流电容C、电网侧变流器、变压器和理想电网。通过变流器之间的直流母线电压环节解耦了永磁同步风力发电机和电网的控制。可以通过控制变流器分别来调节永磁同步发电机的输出功率和输送到电网的有功功率。本文主要研究电机侧，通过对永磁同步发电机的定子电流的控制来捕获最大风能。基于PID的矢量控制常被应用于永磁同步风力发电机的功率控制，主要是因为其结构简单，且具有解耦有功/无功功率的能力[3-4]。然而，基于比例积分微分（Proportional-Integral-Derivative， PID）的矢量控制不能够为永磁同步风力发电系统提供满意的暂态响应。这一现象主要原因：基于PID的矢量控制器的参数是基于某一运行点进行设计，但永磁同步风力发电机的运行点会随着风速的变化而变化，运行点的变化会影响系统的暂态响应[5-6]。为了提高永磁同步风力发电系统的暂态响应，增益调度比例积分控制（Gain-Scheduling Proportional-Integral， GSPI）算法已經被提出。在不同的风速划分去区域中，增益调度比例积分控制可以通过调整控制参数使风力发电系统获取令人满意的动态性能。

1 永磁同步风力发电机模型

1.1 风机模型

1.2 永磁同步发电机模型

永磁同步发电机的电压和转矩方程可以表示为：

式中，Vd，q是定子电压在d-q轴上的分量，id，q是定子电流在d-q轴上的分量，Rs是定子电阻，Ld，q是d-q轴上的电感，ωe=pωm是电磁转速，p是发电机极对数，J是转动惯量，Te是电磁转矩，Tm是机械转矩。

2 基于增益调度比例积分的最大风能捕获控制策略

本文目的是通过基于最优转矩的增益调度比列积分控制来实现最大风能捕获。在不同的风速下，存在唯一的最大风能可以被风力机捕获。由于风速的时变性，因此风力机的转速ωm需要被控制来获取最大风能。最大功率Pmax关于机械转速ωm的函数表达式如下：

由于id的参考值id_ref等于0，根据表达式（8）q轴上定子电流的参考值可以被定义为：

当叶尖速比λ≥λopt时，风能利用系数Cp≤Cp_max，然后 ≤0，机械转速降低直至ωm达到其最优值ωm_opt，此时λ=λopt。当叶尖速比时，风能利用系数Cp≤Cp_max，然后 ≥0，机械转速增速直至ωm达到其最优值ωm_opt，此时λ=λopt。

为更好地表达所提出的基于最优转矩的增益调度比列积分控制，其控制框图如下。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink环境下进行仿真测试。从仿真结果图3-5所示，当风速不断变化时风能利用系数几乎可以保持在其最优值，从而可以保证风力发电机获取最大风能。

4 结论

本文对永磁同步风力发电系统采用了基于增益调度比例积分的最大风能捕获控制策略。在该控制策略下，进行了阶跃风速的仿真测试。仿真结果显示在所提出的控制策略下风力发电系统不仅可以获得最大风能，而且还能保持良好的动态性能。

【参考文献】

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[2]C. Wei， Z. Zhang， W. Qiao， and L. Y. Qu. An adaptive network-based reinforcement learning method for MPPT control of PMSG wind energy conversion systems. IEEE Transactions on Power Electronics， 2016， 31（11）：7837–7848.

[3]趙峰，李鹏飞.永磁同步风电机控制系统PI调节器参数设计[J].电源技术，2014（38）：909-913.

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[5]M. A. Abdullah， A. H. M. Yatim， W. C.Tan， R. Saidur. A review of maximum power point tracking algorithms for wind energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012， 16（5）：3220-3227.

[6]庞婷，曾光，杨波.链式STATCOM反馈线性化控制方法的研究[J].电力电子技术，2016（50）：53-55.