一種風力發電機功率的自適應控制器設計

羅小鎖

摘要：針對風力發電機功率控制系統，本文提出一種自適應控制方法。首先得到風力發電機功率模型，然后根據該模型設計自適應控制器，最終通過仿真結果驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：風力發電機;功率模型;自適應控制

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0025-02

21世紀的關鍵挑戰之一是發展清潔能源，為未來的技術提供動力。工程師們已經開發出風能作為一種合適的能源解決方案。風力發電是世界上增長最快的清潔能源[1]。

如今，大多數風電場都位于偏遠地區，以最大限度地獲取風能，因此需要圍繞維護活動進行仔細規劃，以保持對風電場的訪問頻率較低。風力渦輪機的運營商正在尋求最大限度地利用這些渦輪機生產電力，同時將運營成本保持在最低水平。這就需要研究提高風力渦輪機運行可靠性和成本效益的方法。

風力機工作原理為風能分別通過葉片、傳動系和發電機系統轉化為機械能和電能。葉片通過輪轂連接到低速軸上。這種低速軸通過齒輪系統連接到高速軸上，用來在發電機上產生旋轉力，從而產生所需的電力[2-3]。風力發電機建模設計到各個子系統，而每個子系統需要達到滿意的控制效果，其中功率控制至關重要，研究方法諸多，本文提出一種基于變區域自適應控制的功率控制器，達到良好的控制效果。

1 風力發電機功率模型

為了進一步研究風力發電機組系統，需要建立風力發電機組的模型。建模所考慮的部件包括風模型、氣動模型、俯仰系統模型、傳動系統模型、發電機和變流器模型。模型的方程可由文獻[4]和[5]得到。本文以發電機轉矩和發電機產生的功率為建模量，模型如圖1所示。轉矩的動力學可以用一階時滯系統來建模。

2 風力發電機功率自適應控制器

該風力發電機功率自適應控制器工作在兩個區域，區域Ⅰ表示功率優化區域，區域Ⅱ表示功率參考區域，以100HZ的頻率實施，控制器以區域Ⅰ啟動。區域分布如圖2所示。

從風力發電機組功率工作區域分布圖可以看出，風力發電機僅能在有限的區域內工作，具體可分為區域I和區域II，分別表示部分負載區域和滿負載區域。當風速低于切入風速時，即在進入I區以前，風力渦輪機不工作，不產生任何電能，風機處于待機狀態，因為在此區域內運行成本超過了其所產生電能的價值。同樣的，當風速超過切出風速時，即在II區以后，也沒有電能產生，因為在超出切出風速時風力發電機被停止運行，從而保護它免受結構性過載。所以風機的功率控制主要集中在區域I和區域II。

3 仿真實例

為了驗證所提控制器的有效性，滿足恒功率因素輸出要求，以風力發電機組功率作為控制目標。設置功率的參考值為[Pg，ref]=30 KVar。參考功率與實際功率跟蹤曲線如圖3所示，在所提出的控制策略下，達到了良好的調節效果。

4 結論

本文針對風力發電機功率控制系統，設計一種自適應控制器。自適應表現在通過不同區域設計不同的控制器，得到控制輸出。并且通過仿真實驗，驗證了控制器的有效性。

參考文獻：

[1] 宋卓彥， 王錫凡， 滕予非， 等. 變速恒頻風力發電機組控制技術綜述[J]. 電力系統自動化， 2010， 34（10）： 8-17.

[2] 楊茂， 楊瓊瓊. 風電機組風速-功率特性曲線建模研究綜述[J]. 電力自動化設備， 2018， 38（2）： 34-43.

[3] 陳柳， 羅治偉， 張虎，等. 雙饋式風電機組的自適應Super-twisting功率控制[J]. 重慶大學學報， 2018， 41（4）： 20-28.

[4] P. F. Odgaard， J. Stoustrup， M. Kinnaert. Fault-Tolerant Control of Wind Turbines： A Benchmark Model[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2013， 21（4）： 1168-1182.

[5] L. L. Fan， Y. D. Song. Model reference adaptive fault-tolerant control with application to wind turbines[J]. IET Control Theory & Applications， 2011， 6（4）： 1314-1319.

【通聯編輯：梁書】