基于ACPI的風力發電系統MPPT控制方法分析

梁善倫

摘要：本文以風力發電為研究視角，結合直驅永磁發電時表現出參數不規律、轉矩影響等多種問題，以PI控制程序為依據，以轉速動態監控為方向，針對設備內部動態資料、外部轉矩輸入結果的不規律性，進行動態因素整合，定義為“總干擾量”，以此有效排除干擾因素。結合仿真發現：此種控制程序，可有效減少功率最大值的變動，陣風仿真中，以0.1s速度進行系統控制，極具控制優勢。

關鍵詞：發電;轉速;控制程序

引言：在石油、天然氣各類能源緊缺的情況下，加強能源開發與利用，逐漸成為重要研究課題。風能表現出環保性、成本經濟性，逐漸受到各行業的高度重視。然而，風速信號傳輸時，具有傳輸的隨機性、信號變化不規律等特點。

1 ACPI控制方法

在永磁發電機運行時，存在的系統問題有：參數不規律、轉矩干擾。為解決功率最大數的動態跟進效果，以自耦PI技術為視角，研究出全新的控制方法。以“總干擾量”為前提，積極測定各類未知干擾成分，進行系統映射，構建出誤差有效控制程序，確定速度因子為主要控制目標，進行控制模型的構建與研究。此種控制方法的使用優勢：有效整合速度比例、積分等控制程序，確保各控制程序中的協調性，顯著增強控制程序的增益能力，確保系統運行平穩性[1]。

2永磁發電控制程序

2.1 風力機模型

依據空氣動力學思想，可利用風輪漿轉動角度β（°）、環境密度p（kg/m3）、葉片風力作用半徑R（m）、風速v（m/s）等因素，獲取風能功率C、風力機能量轉化功率P、風力葉片速比λ的參數。

2.2 C、λ、β三個參量的相互關系

（1）當風力葉片速比值λ固定時，風輪漿轉動角度β值逐漸減少，此時風能功率參數C逐漸增大、（2）在風輪漿轉動角度β值固定時，風力葉片速比值λ增加時，功率參數C呈現的拋物線表現出開口向下樣式。因此，當β值固定時，會有一定λ節點，獲取風能功率C的最大數，即拋物線峰值。加之β與C之間的參數關系具有反相關性，取β值為0，賦值λ等于8.1，此時風能功率最大數C為0.48，由此獲取風機轉動的角速度w=λ×v×R-1，P=TW，T表示風力設備運行時傳出的轉動力矩，則有T=1×2λ3pπR5w2C。

2.3 發電機的映射

依據發電設備的電壓、電流、風機轉動等參數、進行發電機模型建立。借助極對數、轉動時產生的慣性常量、風機阻尼設計等因素，獲取電子轉動力矩，進行模型映射處理。以發電機旋轉坐標的兩個軸d、q為參考，統計兩軸產生的干擾總量，確保映射處理的完整性，嘗試對風機程序進行有效控制[2]。

3 ACPI系統設計

3.1 控制器設計

依據轉速控制方法，獲得q軸傳輸電流的目標指令i，以指令控制電流，確保軸線控制效果。在控制q軸時，d軸目標指令i賦值為0。設定風機最佳轉動速度為w，由此獲取轉速動態跟進形成的累計誤差，以誤差結果建立“總干擾量”的控制程序。依據發電控制思想，使系統累計誤差e無限趨近于0點坐標位置，可由此定義ACPI程序的控制流程，在定義時引入z速度因子，使其取值非負數，介于0與∞之間。ACPI控制框架構成后，風力設備能夠高效轉變風能，確保機械能的輸出速度，以轉矩方式在永磁發電設備中傳輸機械能，在發電機作用下，促使電網接收電能。依據風速、風機葉片的風力作用半徑，獲取發電設備的最佳轉速，由ACPI控制程序，以轉速動態跟進為方向，給予外轉、內電等控制方式，確保發電設備矢量參數的設計質量。

3.2 閉環控制

為保證ACPI控制程序的運行平穩性、干擾排除性，進行閉環控制設計。在設計時，以系統最大干擾為控制目標，以零誤差為動態跟進目標，確保閉環控制效果。當誤差z取值[0，∞]時，在實軸表面可獲得一個二重極點s，此時誤差z與轉動速度控制程序并無較大關聯，此時閉環控制系統具有較強的干擾排除能力。

3.3 速度因子控制方法

由各點誤差z取值[0，∞]可知，ACPI在坐標軸各點的控制程序，均具有較大區域的干擾排除能力[3]。由此說明：各軸位置的誤差值，擁有一定較大范圍的鎮定區間。結合轉速控制程序，假設i指作為q軸的目標輸出結果，為保證q軸輸出電流與目標指令的跟進效果，應保障各點之間的速度因子滿足相互條件。假設風力設備為m，永磁旋轉的兩軸為d、p，三個點誤差對應速度因子存在的關系為：zq=zd=a×zm，其中，a為常數，取值[2，10]。

4仿真分析

在控制程序構建完成時，進行仿真分析，以MATLAB程序為主體，進行風力設備、永磁程序的部署，以ACPI控制為主要形式，以自抗擾方法為參照。

（1）參數設計。其一，風力機參數。槳轉動角度β=0°，風力作用半徑R=1.5米，標準功率=1500kW，風速初始值v=6m/s，環境密度p=1.22kg/m3，風力功率最大數C=0.47，葉輪轉動速度比例λ=8.12。其二，永磁電機參數。阻尼參數B取值為8.25×105kg·m2/s，極對數k=4。其三，ACPI參數。誤差zm=150，zq=zd600。

（2）仿真試驗。模擬分析在陣風環境中的控制效果。陣風環境中風速參數無變化，風速最大幅值為2m/s。仿真結果為：ACPI控制程序，成功在0.1s時間內對轉動速度進行動態捕獲，并未發生超調、振蕩等不利問題，證明此種控制效果極佳;自抗擾控制方法，在0.25s時給予控制干預，相比之下，ACPI控制更為快速、干擾捕獲更為靈敏，運算量較小，以更快速的程序響應方式，進行系統控制，動態反饋用時較短，更適用于風力發電程序中。

結論：結合仿真試驗發現：ACPI為視角構建的控制程序，具有更優異的控制效果，控制體系更具簡化性，每組ACPI控制程序中僅含有單一速度因素;ACPI控制策略運行時，實際運算量不大，動態反饋結果速度快，更適用于實踐研究中。

參考文獻

[1]蘇杰，曾喆昭.基于ACPI的風力發電系統MPPT控制方法[J].電力系統保護與控制，2021，49（18）：119-127.

[2]龍萬利，黃筱葉.永磁直驅風力發電系統控制策略仿真研究[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2020，30（02）：20-25.