改進直接轉矩控制在海上風力機模擬中的應用

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，在海上風電的開發利用中，永磁直驅風力發電機相對于雙饋異步發電機顯現出了其固有的優勢［1-2］。但是實驗室并不具備自然條件下的海上風場環境，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的海上永磁直驅風力發電機進行特定研究［3］。實驗室風力機模擬主要基于直流電機和異步電機，直流電機調速性能優異，但存在電刷和滑環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的復雜性限制了它的應用。基于異步電機的風力機模擬系統主要采用高性能交流調速技術控制，其缺點是低速范圍內的控制性能較差［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中電機參數變化的缺點，使其并不能很好地適用于低速運行的永磁直驅風力發電機。

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

1 風力機模型及其運行特性

風力機是捕獲風能，將風能轉化為機械能的裝置。本文的風力機數學模型采用基于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，為轉矩系數，Cp為風能利用系數，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，β=0。

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

2 改進直接轉矩控制技術

直接轉矩控制技術是利用空間矢量、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學模型，計算與控制電機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節(Bang-Bang控制)產生PWM波信號，對逆變器的開關狀態進行控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出。直接轉矩控制技術省去了復雜的矢量變換與電機數學模型簡化處理，沒有通常的PWM信號發生器，控制結構簡單，控制手段直接。但由于系統采用滯環比較器以及定子電阻隨電機溫度變化導致直接轉矩控制在低速時轉矩脈動大。

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

2.1 全階自適應定子磁鏈觀測器

傳統的磁鏈觀測模型為U-n，I-n或者U-I等開環估計模型［9］，但是在低速范圍內，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。本文采用閉環自適應觀測器建立全階自適應定子磁鏈觀測模型。兩相靜止坐標系下，以X=為狀態變量的異步電機數學模型為

以實際電流is和觀測電流的差值構成自適應校正項，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、溫度控制系統、壓力控制系統、氣體供給系統、在線分析系統和數據采集系統組成，溶液吸收解吸系統的有效容積為300 m L，內置磁力攪拌器和鼓泡吸收管，利用溫度控制系統對其溫度進行控制，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數據采集系統與微型計算機相連，對整個裝置的運行狀況進行監視和調整。

根據式(5)得全階自適應定子磁鏈觀測模型如圖2所示。

圖2 自適應定子磁鏈觀測器結構圖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非線性變化，極端情況甚至能夠達到靜態值的1.49倍［11］。同時，電機在低速運行時會受電機本身參數變化的影響，相對于其他參數，定子電阻變化是影響電機運行的主要因素，并且轉速越低影響越大，因此有必要對其進行在線辨識［12］。

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

式中:η＞0為正常數。對上式求導并代入式(6)得:

要使觀測器穩定，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，且Ki≤0。

3 仿真分析

3.1 仿真結構圖

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矩和轉速模擬風力機的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速作為風力機數學模型的輸入信號，其輸出的轉矩信號作為電機的控制信號接入直接轉矩控制模塊，圖3為基于改進直接轉矩控制的海上風力機模擬系統結構圖。

圖3 改進直接轉矩控制海上風力機模擬系統結構圖Fig.3 Simulation system structure of offshore wind turbine based on improved direct torque control

異步電機負載轉矩［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矩系數。

根據圖3和式(11)，建立風力機模擬系統仿真模型如圖4。

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

3.2 改進系統仿真結果

圖4所示的海上風力機模擬系統仿真中，設給定風速和給定葉尖速比分別為6 m/s和λopt=8.4，隨著轉速的上升，風力機最終穩定在圖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，設風速由6 m/s上升為8 m/s，電機重新穩定運行于B點(ω=195.8 r/min，T=57.5 N·m)，仿真結果如圖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)穩定運行，仿真結果如圖5(b)所示。

圖5 改進后海上風力機系統的轉矩、轉速變化情況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，模擬風力機輸出轉矩和轉速能夠穩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，響應時間短，與圖1所示的風力機輸出轉矩轉速變化吻合，由此可知，基于改進直接轉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 仿真結果對比與分析

基于永磁直驅同步發電機的風力機主要運行于低速范圍內，因此以A點為例，當系統穩定運行于A點，且設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、輸出轉矩波動和磁鏈跟蹤結果如圖6。

圖6 定子電流和輸出轉矩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，基于全階自適應定子磁鏈觀測器改進的直接轉矩控制系統較傳統直接轉矩控制系統，在低速范圍內電機的定子電流和輸出轉矩波動有了明顯的改善，因此更適合應用于低速運行的永磁直驅同步風力發電機模擬系統中。

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，電機定子磁鏈穩定在0.82 Wb，誤差為2.5%。

圖8顯示了改進前直接轉矩控制因定子電阻變化而產生的影響，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速并不增大，完全偏離如圖1所示的風力機輸出轉矩轉速變化，最終導致控制失敗，結果如圖8(a)所示;當葉尖速比改變時雖然控制成功，但也引起了轉矩波動的進一步加大，如圖8(b)所示，由波動±1 N·m變為±2 N·m。對比分析可見，相對于傳統無定子電阻在線辨識改進的系統，異步電機控制系統受定子電阻變化的影響明顯減小，從而使系統魯棒性增強，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 海上風力機系統無定子電阻辨識的轉矩、轉速變化Fig.8 Torque and speed changes of offshore wind turbine without stator resistance observer

4 結語

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海上風力機模擬控制。基于全階自適應磁鏈觀測器和定子電阻在線辨識改進的直接轉矩控制技術，有效地減小了系統在低速范圍內的轉矩和電流脈動，使之更適用于低速轉動的永磁直驅同步風力發電機系統。在改進直接轉矩控制技術基礎上，利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺搭建了風力機模擬系統，模擬了風力機的輸出t－ω特性曲線。仿真結果表明基于改進直接轉矩控制的風力機模擬系統提高了控制系統的穩定性和魯棒性，并且有效跟蹤了不同風速和葉尖速比情況下的轉速轉矩變化，為海上風力機控制提供了模擬實驗控制基礎。

［1］薛玉石，韓力，李輝.直驅永磁同步風力發電機組研究現狀與發展前景［J］.電機與控制應用，2008，35(4):1-5.

［2］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風力發電機其技術發展綜述［J］.電力建設，2011，32(8):64-72.

［3］辛付龍，張建華，王健.海上風力發電的風速和風輪機的輸出轉矩［J］.大電機技術，2011，5(3):15-19.

［4］王前雙，胡育文，黃文新.風力機模擬技術綜述［J］.電機與控制應用，2010，37(3):1-6.

［5］李吉晨，周波，薛峰.基于無刷直流電機的風力機模擬特性［J］.電力自動化設備，2012，32(10):17-21.

［6］趙梅花，阮毅，沈陽，等.基于風機特性模擬的風力發電系統［J］.電機與控制應用，2011，38(3):51-56.

［7］王新新，惠晶.基于模糊神經網絡DTC的風力機特性模擬［J］.電力電子技術，2011，45(9):49-51.

［8］劉鈺山，葛寶明，畢大強，等.基于直接轉矩控制的風力機模擬系統［J］.電力系統保護與控制，2010，38(18):140-144.

［9］王成元，夏加寬，楊俊友，等.電機現代控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2006:198-208.

［10］廖永衡，馮曉云，王珍.基于定子磁鏈滑模觀測器的異步電機空間矢量調制直接轉矩控制［J］.中國電機工程學報，2012，32(18):88-97.

［11］王紅梅，阮毅，徐靜.定子電阻變化對異步電機按定子磁場定向控制系統性能的擾動分析［J］.電氣傳動自動化，2004，26(1):14-17.

［12］黃志武.無速度傳感器直接轉矩控制策略的研究［D］.長沙:中南大學，2006.

［13］奚國華，沈紅平，喻壽益，等.基于全階狀態觀測器的無速度傳感器 DTC 系統［J］.電氣傳動，2008，38(7):22-25.

［14］王超，黃文新，王前雙.基于異步電機的風力機特性模擬［J］.電力電子技術，2010，44(6):7-9.