直驅永磁風電機組在微電網下的自適應多模式功率控制*

金國文, 蘇華鶯

(山西電力職業(yè)技術學院，山西 太原 030021)

直驅永磁風電機組在微電網下的自適應多模式功率控制*

金國文, 蘇華鶯

(山西電力職業(yè)技術學院，山西 太原 030021)

當風電機組并入微電網后，要求風機能夠工作在最大功率點跟蹤和固定功率點跟蹤兩種模式，并適時切換。針對這個問題，提出了一種新型的直驅永磁風電機組在微電網下的自適應多模式功率控制策略。該控制策略結合磁場定向控制應用于永磁同步發(fā)電機和兩電平全功率背靠背變流器構成的發(fā)電系統(tǒng)中。該控制策略的控制目的是使風電機組根據不同工況運行在最大功率點跟蹤模式或跟蹤性能增強型的非最大功率點跟蹤模式。新型控制與傳統(tǒng)變步長爬山搜索算法相比，速度更快、魯棒性更強，當環(huán)境和功率需求變化時，能迅速切換到非最大功率點跟蹤模式，且具有快速的動態(tài)響應和精確的穩(wěn)態(tài)響應。最后，基于小功率永磁直驅風電機組試驗平臺開展了試驗研究，對新型控制策略的控制性能進行了試驗驗證。

微電網; 永磁同步發(fā)電機; 直驅; 最大功率點跟蹤; 磁場定向控制

0 引 言

分布式發(fā)電系統(tǒng)(Distributed Generation，DG)和集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，有明顯的優(yōu)勢，例如能源就地生產和消耗實現(xiàn)的較低的電纜傳輸損耗等[1-2]。DG系統(tǒng)特別適合新能源發(fā)電機組的接入，極大的改變能源利用形式，智能型微電網是一個發(fā)展趨勢[3-5]。直驅式的采用永磁同步發(fā)電機(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)的風電機組是近年來發(fā)展最為迅速的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)[6-10]。

當風電機組結合相關儲能系統(tǒng)并入微電網后，可以減弱風力發(fā)電的隨機屬性，提高輸出穩(wěn)定性，同時也要求風電機組能夠工作在最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式和固定功率點跟蹤(non-Maximum Power Point Tracking，non-MPPT)模式。

傳統(tǒng)的MPPT控制策略大致分為以下幾種類型。根據風機葉片的空氣動力學特性，對于不同的風速輸入，存在一個最佳葉尖速比(Tip Speed Ratio，TSR)，即λopt，對應最大的功率捕獲Pwind_opt。文獻[11]給出了第一種類型的基于最佳TSR的MPPT算法。其基本思想是通過控制機側變流器(Machine Side Converter，MSC)來控制發(fā)電機的轉矩以確保最佳的轉子速度ωm_opt，而這是由給定的λopt和風速v決定的。該MPPT算法需要一個風速計，因此存在葉片擾動和沿葉片風速變化造成測量不準確的問題[12]。其他兩種類型的MPPT算法分別是文獻[11]中的功率信號反饋法(Power Signal Feedback，PSF)和文獻[13]中的最優(yōu)轉矩法(Optimal Torque，OT)，都不需要轉速計，但仍需要具體的風機參數。此外，上述三種MPPT算法只是最大限度地捕獲風功率Pwind，而不是風電變流器最后的輸出功率Po。Pwind和Po的關系如式(1)所示，式中ηg和ηc分別是風機和變流器的效率，各自隨轉子轉速變化而變化。因此即使獲得了最佳的Pwind，也不能保證輸出最佳的Po[14]。

(1)

更為普遍的MPPT算法是爬山搜索法(Hill Climbing Search，HCS)[11]。它的優(yōu)點是不僅不需要風速計，同時也不需要風機參數，更重要的是，其目標函數為輸出電功率Po，而不是Pwind。但是，當風速變化時，HCS方法需要折衷步長和跟蹤速度，以及權衡跟蹤精度和速度[14]。文獻[15]中提出了一種變步長的HCS算法，可有效解決第一個折衷問題，但會增加第二個折衷問題的難度。

因此，目前最有效的MPPT算法是文獻[14]所提出的，即檢測風速變化時，從變步長HCS切換到PSF模式，從而避免輸出功率Po產生大幅振蕩。雖然算法是基于不控整流橋和直流變換器拓撲提出的，但也可以應用到廣泛采用的兩電平全功率變流器中。拓撲結構如圖1所示。

圖1 PMSG和機側變流器拓撲結構

本文的研究對象是并入有限容量微電網的風電機組，因此除了考慮前述MPPT算法外，還需要設計一個特殊的non-MPPT模式，以應對微電網孤島運行模式，當風能超過了系統(tǒng)容量時限制過多的能量獲取。因此，本文提出了一種直驅永磁風電機組在微電網下的自適應多模式功率控制。該控制方案可實現(xiàn)MPPT模式和non-MPPT模式的自動切換。在MPPT模式下，提出的控制方案比傳統(tǒng)方法更快、魯棒性更好，在風速變化時能夠提供強大的跟蹤能力；而在non-MPPT模式下，有三種功率控制算法分支，不僅能夠滿足精確的穩(wěn)態(tài)功率跟蹤，而且能夠快速響應功率指令和應對環(huán)境的變化。

1 新型MPPT控制算法

1.1 傳統(tǒng)MPPT控制算法

PMSG和MSC的拓撲結構圖如圖1所示。在dq坐標系下，風電機組的數學模型如下所示[6]：

(2)

(3)

式中：Ud、Uq——d、q軸定子電壓；

id、iq——d、q軸定子電流；

p——發(fā)電機的極對數；

ψd、ψq——d、q軸定子磁鏈；

ψr——轉子磁鏈；

ω——轉子電角速度；

Tem、TL——電磁轉矩和負載轉矩；

Ld、Lq——d、q軸同步電感；

r——d、q軸的定子電阻。

(4)

圖2 基于FOC的MPPT控制算法

1.2 新型自適應MPPT算法

和傳統(tǒng)的HCS算法不同，新型的MPPT控制算法會根據檢測到的風機輸入功率的改變在多種控制模式之間切換，具體流程圖如圖3所示。按照文獻[14]中分類，算法控制周期中有三種工作模式。具體如下：

圖3 新型MPPT控制算法的流程圖

(1) 無風速變化模式1：在第n步時，如果跟蹤點遠離最大功率點，則按照式(5)采用變步長HCS算法來提高跟蹤速度(其中C為比例常數)，ωm_ref的符號由Δωm(n)和ΔPem(n)共同決定。

(5)

(2) 模式0：如果跟蹤點接近最大功率點，則式(5)中的Δωm_ref(n)會很小，可忽略。因此控制目標是保持跟蹤結果不變且穩(wěn)定。當ΔPem(n)

(6)

(7)

1.3 風速變化檢測

如前所述，風速計由于機械原因無法給出精確的風速值。當有風速突變時，風能曲線Pwind-ωm從圖4中曲線1變?yōu)榍€2，同時由于機械慣性，轉子轉速ωm保持不變，因此風能Pwind瞬間從M點跳躍到N點，結果使得ΔPem(n)的估計產生明顯變化。這可以作為從模式1切換到模式2的標志。

上述判據只適用明顯的風速變化檢測。但對于微小的風速變化，變步長HCS算法不會產生較大振蕩，并且模式0也允許輸入有一定的偏差。此外，模式2中的ΔPem(n)應超過模式0中預設的a，否則ΔPem(n)和ΔPem(n-1)的比值較大時很可能被控制器當成干擾導致的結果，而不是由實際的風速變化所引起。

圖4 風速變化引起的工作點突變

2 新型non-MPPT算法

2.1 微電網中的功率控制原理

可再生能源發(fā)電并網容量的增加，遠距離電力傳輸以及微電網的孤島工況導致了弱網發(fā)生的可能[16-17]。

如圖5所示，傳統(tǒng)的直驅PMSG通過交直交的方式連接到弱網中，因此發(fā)電機作為電壓源來調節(jié)直流母線電壓。具體實現(xiàn)方式是增加第三個電壓閉環(huán)來完成速度控制，這樣風機所產生的功率由直流母線電壓決定，而不是MPPT算法決定[16]。

圖5 傳統(tǒng)風機接入電網示意圖

如圖6所示，在混合含有交流鏈路和直流鏈路的微電網中，MSC和儲能系統(tǒng)都直接連接到直流側。因此如圖7所示，一般負載在系統(tǒng)的容量覆蓋范圍內都可以采用MPPT算法來實現(xiàn)功率控制，僅當微電網與微小負載連接構成孤島時，風機才需要采用non-MPPT算法來減少注入直流母線上的功率，以防止儲能系統(tǒng)過度充電。

圖6 混合含有交直流鏈路的微電網拓撲

圖7 PMSG在微網下的功率控制模式

此外，與圖5中傳統(tǒng)的拓撲結構不同，在孤島模式運行的微電網中，所有的分布式發(fā)電機和負載都連接在公共耦合點，因此一般只有一個設備可作為恒壓源。在本文中，儲能系統(tǒng)被選擇用來調節(jié)直流母線電壓，因此在non-MPPT模式下，MSC仍作為電流源向直流側輸入固定功率。基于此，在圖2中增加了第三個控制環(huán)PSF，成為圖8所示的控制結構。

圖8 基于FOC的non-MPPT控制算法

一旦從MPPT模式轉換到non-MPPT模式，控制結構就從圖2所示切換到圖8所示。這時如圖9所示，所捕獲的風功率Pwind將從其最大值Pwind_opt減小到固定值Pref，從而防止直流側電容過充。由圖9中的Pwind-ωm曲線圖，對于固定的Pref，有B1和B2兩個工作點可供選擇，在忽略損耗的情況下，實際輸出電功率Po可由式(8)計算[17]。

(8)

圖9 兩個工作點下non-MPPT模式的功率流程圖

如果目標點選擇B1，這就要求轉子轉速ωm降低，這時風機動能減少，Pacc<0。考慮到風機的大慣性特性，從式(8)可以得出最終輸出端電功率Po將會以某種方式增加。這與期望控制目標相悖。對B2進行類似分析，結果是有利的，Pacc有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定，故可在功率環(huán)中采用簡單PI控制器。對于目標工作點B1和B2，除了在暫態(tài)性能的差異，其他指標差別如表1所示。

表1 工作點比較

從表1可以看出，盡管選擇B2點后控制較容易，但是存在較大損耗和最大速度限制。實際上，對于選擇B2的功率控制還需要槳距角控制，因此在這里選擇只有轉速控制的工作點B1。

2.2 新型自適應non-MPPT算法

從上述分析得到，可通過增加第三個功率環(huán)來調節(jié)速度參考值。對于目標工作點B1，提出一種新型的自適應non-MPPT算法能更好地消除振蕩,并提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

從式(4)中可得到，Pem是iq和ωm的函數，故功率外環(huán)由電流環(huán)和速度環(huán)組合而成。由于速度環(huán)帶寬很低，因此第三個環(huán)路中non-MPPT控制器的輸出ωm_ref的響應速度也需要很低才行。這可以通過設置non-MPPT算法中PI控制器比例增益kp為0實現(xiàn)。完整的控制器框圖如圖8所示，kp為0，non-MPPT控制器表達式如式(9)所示。

(9)

傳統(tǒng)控制器中，隨著時間的推移，功率誤差Perror和加速度dωm_ref/dt均減小，但如果式(9)中控制器的積分增益ki增加，將有助于控制器加快跟蹤速度。這就是自適應PI控制器第一級的基本思路。ki的兩種典型設計分別是指數型設計式(10)和常數型設計式(11)，其中ki_coe、ki_init和r均為常數，且ki_coe的符號在圖10中確定。

(10)

(11)

圖10 自適應non-MPPT算法流程圖

隨著時間的推移，Perror逐漸減小，當Perror的值落到區(qū)間(-b，b)時，其中b為較小常數，控制器將自動切換到第二階段。在第二階段中ki等于一個固定較大的數值ki_const，以此來提高速度環(huán)響應。具體的自適應non-MPPT控制方法的流程圖如圖10所示。圖10中ωm_ref_adapt和ωm_ref_const分別是第一和第二階段的轉速參考值，Ts為MPPT算法的控制周期。

3 算法仿真研究

基于MATLAB/Simulink仿真平臺對控制策略的性能進行仿真研究。不同風速下的Pwind-ωm曲線如圖11所示。直流母線電壓由儲能環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定，額定600 V，直流側通過MSC連接到PMSG。仿真中PMSG參數如下：定子電阻Rs為0.48 Ω，極對數p為4，d軸電抗Ld為3.34 mH，q軸電抗Lq為3.34 mH，磁鏈ψr為0.171 Wb，額定電壓Un為124 V，轉動慣量J為0.001 47 kg·m2。

圖11 仿真中不同Pwind-ωm曲線和工作點

3.1 MPPT算法仿真

(1) 穩(wěn)態(tài)下風速突增：如圖12(a)所示，在1 s時，系統(tǒng)已到達圖11中曲線Ⅱ穩(wěn)態(tài)，對應轉速為245.5 rad/s。這時風速突增，Pwind-ωm變?yōu)榍€Ⅲ。采用變步長HCS算法需2 s跟蹤到新的工作點和最佳轉速260.3 rad/s，而采用所提出的控制算法只需0.04 s就可以到達轉速穩(wěn)態(tài)值261.5 rad/s。故新算法耗時少，穩(wěn)態(tài)值更接近理論的261.7 rad/s。

(2) 穩(wěn)態(tài)下風速突減：如圖12(b)所示，在1 s時，系統(tǒng)已到達穩(wěn)態(tài)A點附近，對應最佳轉速270.5 rad/s，這時風速突減，Pwind-ωm變?yōu)榍€Ⅱ。采用變步長HCS算法和新算法使系統(tǒng)再次達到穩(wěn)態(tài)的耗時相同，新算法最終調整轉速到246.5 rad/s，而傳統(tǒng)算法只到222.0 rad/s，精度不高。

圖12 MPPT算法仿真結果

(3) 穩(wěn)態(tài)前風速突增：如圖12(c)所示，Pwind-ωm曲線在0.1 s從Ⅰ變?yōu)棰螅窍鹊舰裰械墓ぷ鼽c。變步長HCS算法需0.28 s到達穩(wěn)態(tài)，對應轉速277.5 rad/s，而新算法只需0.23 s就可到達266.7 rad/s的穩(wěn)態(tài)，且更接近理論最佳轉速。

(4) 穩(wěn)態(tài)前風速突減：如圖12(d)所示，Pwind-ωm曲線在0.14 s從Ⅲ變?yōu)棰瘢皇窍鹊竭_圖11中的A點。變步長HCS算法將產生振蕩并需0.4 s到達穩(wěn)態(tài)，對應轉速136 rad/s，而自適應控制算法只需0.2 s就可到達穩(wěn)態(tài)，對應轉速191.5 rad/s。這也與理論最佳轉速181.3 rad/s更接近。

3.2 non-MPPT算法仿真

將圖11中的曲線Ⅱ和Ⅲ重繪于圖13中，并重新標注工作點來對non-MPPT控制算法進行仿真。

圖13 non-MPPT仿真中的Pwind-ωm曲線和工作點

(1) MPPT算法切換到non-MPPT算法：如圖14所示。控制算法切換命令發(fā)生在t=0.5 s、Pref=1 500 W時，指數型和常數型自適應PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器相比，超調量減少了約70%，而調節(jié)時間分別為0.078 s和0.096 s，也明顯小于傳統(tǒng)控制器。因而指數型自適應PI控制器的性能更好。三種控制器都能取得精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤效果，穩(wěn)態(tài)工作點對應于圖13的B′點。

圖14 MPPT算法切換到non-MPPT算法的仿真結果

(2) 風速突變：如圖15所示是風速在t=0.5 s時突變的結果，曲線Ⅲ變化到Ⅱ，在non-MPPT控制下，采用指數型自適應PI控制器只需要0.03 s就可以使參考功率恢復到1 500 W，即從圖13中的B′點到C′點。

圖15 風速突變時的仿真結果

上述仿真結果證明，在MPPT和non-MPPT這兩種控制模式下，所提出的控制策略都能夠保持穩(wěn)定，振蕩小，并且大大減少了在發(fā)電機端的調整時間。

4 試驗驗證

為了驗證前述控制策略的性能，基于2 kW的PMSG原理樣機搭建了試驗平臺，開展了試驗研究。試驗系統(tǒng)具體參數如下：定子電阻Rs為0.7 Ω，極對數p為4，d軸電抗Ld為4.08 mH，q軸電抗Lq為4.08 mH，磁鏈ψr為0.218 Wb，額定轉速n為1 500 r/min，額定功率Pn為2 kW，額定電流In為7.5 A，額定電壓Un為220 V，轉動慣量J為0.000 72 kg·m2，額定轉矩Tn為14.33 N·m。原動機由伺服電機驅動控制，用來模擬實際的風力渦輪機，設計直流母線電壓參考值Udc_ref為150 V。電池組作為一個儲能穩(wěn)壓源，用滑變電阻作為直流負載，最大阻值為220 Ω。

(1) non-MPPT模式穩(wěn)態(tài)：在non-MPPT控制模式下跟蹤的穩(wěn)態(tài)結果如圖16所示。圖16中CH1表示直流側電壓udc，CH3表示發(fā)電機a相電流ia，CH4表示直流電流idc，輸出功率Pout為CH1和CH4的乘積。穩(wěn)態(tài)時udc和Pout都保持穩(wěn)定，表明在non-MPPT控制模式下系統(tǒng)能保持閉環(huán)穩(wěn)定。

圖16 應用non-MPPT算法后的穩(wěn)態(tài)波形

圖17 應用non-MPPT算法后的功率指令突變波形

(2) non-MPPT模式下功率指令突變：功率指令改變時，non-MPPT控制模式下的跟蹤結果如圖17所示。圖17中CH1、CH3，CH4和Pout的定義與圖16相同。從圖17可以看到功率指令的值翻倍，因而輸出功率首先由66.2 W增加到134.2 W，之后由于功率指令再次變化，輸出功率下降到正常值。此外，由于原動機的輸入轉矩為常數，穩(wěn)態(tài)時CH3表示的發(fā)電機電流ia的幅值在不同功率指令下均保持不變，只有電流的頻率和轉子轉速的大小發(fā)生改變來增加或減小輸入有功功率。

上述試驗結果驗證了新型控制策略下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能均較優(yōu)。

5 結 語

本文對直驅永磁風電機組在微電網下的自適應多模式功率控制算法進行了相關研究。首先設計了多模式功率控制器的自適應MPPT算法，然后確定了風速檢測機制，設計了non-MPPT算法，并實現(xiàn)了模式之間的平滑切換。最后通過仿真和試驗對控制算法進行了驗證。主要結論如下：

(1) 與傳統(tǒng)控制器相比，新型控制策略在風速和功率指令突變時，適應性更強，魯棒性更好，且控制精度更高。在不同的條件下這兩種模式可以自動平滑切換。

(2) 在微電網中采用這種新型自適應功率控制器，可以限制風能的隨機性影響，并且系統(tǒng)效率提高，可靠性得到增強。因此，這種控制算法不僅減少了攝取風能對環(huán)境的影響，也降低了對電網的不利影響。

[1] 王文靜,王斯成.我國分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[J].中國科學院院刊,2016,31(2): 165-172.

[2] 趙敏,沈沉,劉鋒,等.基于博弈論的多微電網系統(tǒng)交易模式研究[J].中國電機工程學報,2015,35(4): 848-857.

[3] 李海波,魯宗相,喬穎,等.大規(guī)模風電并網的電力系統(tǒng)運行靈活性評估[J].電網技術,2015,39(6): 1672-1678.

[4] 王成山,武震,李鵬.微電網關鍵技術研究[J].電工技術學報,2014,29(2): 1-12.

[5] 馬藝瑋,楊蘋,王月武,等.微電網典型特征及關鍵技術[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(8): 168-175.

[6] 劉波,潘巧波.大型直驅風電機組快速響應控制策略[J].電機與控制應用,2015,42(11): 62-66.

[7] 涂娟,湯寧平.一種新型直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略[J].電機與控制應用,2015,42(7): 52-56.

[8] 肖碩霜,尹忠東.一種并聯(lián)風電機組低電壓穿越調控裝置[J].電機與控制應用,2012,39(11): 10-12.

[9] 殷杰,向鐵元,楊瑤.OW式永磁直驅風電系統(tǒng)不連續(xù)脈寬調制[J].電機與控制應用,2015,42(7): 62-66.

[10] 徐力,王剛,侍喬明,等.直驅永磁風電機組電壓暫態(tài)簡化建模及仿真[J].電機與控制應用,2015,42(9): 47-51.

[11] BUEHRING K I, FRERIS L L.Control policies for wind energy conversion systems[J].IEE Proceedings C-Generation, Transmission and Distribution, 1981, 128(5): 253-261.

[12] PAO Y L, JOHNSON E K.A tutorial on the dynamics and control of wind turbines and wind farms[C]∥ IEEE American Control Conference St Louis, MO, USA: IEEE, 2009: 2076-2089.

[13] MORIMOTO S, NAKAYAMA H, SANADA M, et al.Sensorless output maximization control for variable-speed wind generation system using IPMSG[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(1): 60-67.

[14] KAZMI R M S, GOTO H, GUO J H, et al.A novel algorithm for fast and efficient speed-sensorless maximum power point tracking in wind energy conversion systems[J].IEEE Transactions on Industry Electronics, 2011, 58(1): 29-36.

[15] JIA Y, YANG Z, CAO B.A new maximum power point tracking control scheme for wind generation[C]∥ IEEE International Conference on Power System Technology, Kunming, China: IEEE, 2002: 144-148.

[16] YUAN X, WANG F, BOROYEVICH D, et al.DC-link voltage control of a full Power converter for wind generator operating in weak-grid systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(9): 2178-2192.

[17] 黃云輝,周翩,王龍飛.弱電網下基于矢量控制的并網變換器功率控制穩(wěn)定性[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(14): 93-99.

Adaptive Multi-Mode Power Control for Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator under Microgrid*

JINGuowen,SUHuaying

(Electric Power Occupational Technical Institute of SEPC, Taiyuan 030021, China)

While in a microgrid, the wind turbine generator is required to work in both maximum power point tracking and fixed power point tracking modes, and it must change the mode properly.Aiming at this problem, an adaptive multi-mode power control for direct-drive permanent magnet synchronous motor (PMSG) in a microgrid has been proposed.The control strategy combined with field oriented control was applied to a PMSG and two-level full power back-to-back converter drive system.The objective of the control strategy was to make the wind turbine operating in the maximum power point tracking mode or tracking performance enhancement mode of non-maximum power point tracking.Compared to the conventional variable-step hill climbing search algorithm, the novel control was faster, and the robustness was stronger.The novel control has a fast dynamic response to the change of the power command and the environment, and has an accurate steady-state response as well.Finally, based on the low power direct-drive PMSG test platform, some tests have been done to verify the validity of the new proposed method.

microgrid; permanent magnet synchronous generator (PMSG); direct drive; maximum power point tracking (MPPT); field oriented control

國家級自然科學基金項目(51490681)：電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時間尺度的動力學表征。

金國文(1983—)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境工程，新能源發(fā)電和微電網。 蘇華鶯(1979—)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電和微電網。

TM 315

A

1673-6540(2017)03- 0102- 08

2016 -07 -25