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1、风电机组转矩的非线性控制摘要:风电机组发电机转矩控制不仅直接决定机组的最大功率追踪效果，而且对传动系统疲惫载荷有明显影响。风电机组发电经过时刻遭到风速的扰动，而且机组传动系统具有明显的非线性特性。本文设计了一种非线性转矩控制器，在计算出最优转速后，对风电机组转矩进行控制跟踪最优转速。在考虑机组传动系统柔性的情况下，实现最大功率追踪的同时可减小传动系统疲惫载荷。在FAST软件中针对5MW风电机组仿真，结果表明该方法能够很好地追踪最大功率，且相对传统PI控制输出的功率愈加稳定平滑，对传动系统载荷有一定的改善。关键词:风力发电;非线性控制;转矩控制1引言随着风力发电技术的迅速发展，风电机组的单机容量
2、不断增加，对控制技术也提出了更高的要求。风电机组的控制系统在实现最大风能追踪、平稳发电运行的基础上，还需尽可能抑制输出功率波动，优化机组承受的载荷，这样就对风电机组的控制系统提出了更高的要求1-3。最大功率追踪(MPPT)是变速变桨风电机组控制的主要任务之一，常用的MPPT方法有叶尖速比控制、功率反应和爬山法4。文献5将叶尖速比控制算法与功率反应法相结合，采用一种简单有效的方法获取定子给定最佳功率与转速关系曲线，避免了复杂的运算;文献6对传统的登山搜索控制算法进行改良，将原算法中的计算参数由风力机输出的机械功率转化为发电机输出的电磁功率，并与基于定子磁链定向的矢量控制相结合。在传动系统的载荷控
3、制方面，传统的方法是在PI控制的基础上，利用带通滤波器产生的阻尼转矩与原发电机转矩参考值相加，增加系统阻尼，进而抑制传动系统的扭振，减小载荷7;但是当模型存在不确定性时，系统的稳定性和其他性能会遭到影响8。而以上所有的方法都是基于传动系统的线性化模型，其模型的建立忽略了传动系统的非线形，难以真实地反映风电机组传动系统的动态响应，存在一定的局限性。本文针对双馈风电机组的最大功率问题和传动系统载荷问题，在额定风速下面，利用非线性控制(NC)，通过及时跟踪最优转矩，进而减小功率波动，提高输出电能质量，相对减小传动系统扭转载荷。2风速对转矩控制的影响风电机组的发电经过是一个复杂的非线性经过，遭到风速和
4、发电机转矩控制的直接影响，其经过如图1所示。其中，v为风速;Ta为风轮气动转矩;r为风轮角速度;g为发电机角速度;Te为发电机转矩;Pe为发电机输出功率。风速变化具有强烈的随机性、时变性和不确定性的特点，传动系统的非线性特征主要体如今参数不确定性和无法准确建模的动态部分。通过式(1)和式(2)能够得出风轮转矩，然后通过传动系统的模型就能够得到最终的控制量Tg，所以在整个经过中最开场的风速是特别重要的。假如通过历史的Tg和g数据对Ta和r预测，进而对风速预测，然后根据图1所示的关系对发电机转矩进行控制，这样对最大功率追踪和载荷控制问题是特别有意义的。3风电机组传动系统建模双馈风电机组的传动系统由
5、风轮、低速轴、齿轮箱、柔性联轴器和发电机转子等构成。本文研究的风电机组传动系统考虑传动系统的柔性、综合刚度和阻尼等情况，采用两质量块模型，详细模型如图2所示。4基于卡尔曼滤波的风速的预测风速是决定最优风轮转速ropt的重要变量之一。由于遭到风轮的影响，风电机组中风速测量精度有限且存在明显滞后，本文控制中采用在线动态预测的方法作为参考。通过卡尔曼滤波和牛顿迭代法来预测风速，卡尔曼滤波器的输入为发电机转矩和风轮转速，预测输出状态量为风轮转矩和风轮转速。5基于风速预测的发电机转矩的非线性控制本文研究的区域在低风速区域，不考虑对桨距角度和偏航角进行控制，实际操作上将桨距角和偏航角设置在最优的0位置，详
6、细的控制框图如图3所示。在式(16)中已经介绍了ropt计算，这里不再赘述。下面主要进行控制量Te导数的求解。6案例仿真计算与结果分析在风电场进行风电机组控制策略试验风险较大，成本很高，而且无法实如今一样工况下两种方法比照，因而本文采用风电机组载荷计算软件进行案例仿真计算验证控制策略的性能。利用美国可再生能源实验室开发的FAST仿真软件对一5MW双馈风电机组进行仿真，机组的部分参数如表1所示。表1机组的部分参数不同控制策略下风轮转速和最优风轮转速的转速差如图5所示。其中NC表示非线性控制器，PI表示传统PI控制器。不难看出，在非线性控制器作用下，最优风轮转速的追踪要好于传统的PI控制。非线性控
7、制器和传统PI控制器控制下的发电机转矩如图6所示。能够看出，非线性控制器控制下的发电机转矩波动较小。发电机转矩数据统计结果如表2所示。能够看出，两种控制策略的最大值、最小值和平均值相差不大，但是非线性控制器的标准差却只要PI控制器的80.6%，讲明发电机的转矩波动减弱。两种控制策略下发电机的输出功率如图7所示。能够看出，在本文控制器作用下，功率的波动相对平稳。发电机功率数据统计结果如表3所示。能够看出，在本文控制器的作用下，输出功率波动幅度减小，标准差只要PI控制器的74.7%。7结论针对风速变化的随机性、不确定性及其对风电机组转矩控制和输出功率的直接影响，本文设计了一种基于卡尔曼滤波和牛顿迭
8、代的风速预测方法，并以此为基础，考虑风电机组传动系统的非线性，提出了一种发电机转矩非线性控制器，该控制器能够更好地跟踪最优转速。5MW风电机组在FAST环境的计算结果表明，该控制策略能够使输出功率愈加稳定平滑，提高输出功率品质，并且在一定程度上减小了传动系统的疲惫载荷。参考文献(References):1姚兴佳，王晓东，单光坤，等(YaoXingjia，WangXiaodong，ShanGuangkun，etal)双馈风电机组传动系统扭振抑制自抗扰控制(Torquevibrationactivedisturbancerejectioncontrolofdoublefedwindturbined
9、rivetrain)J电工技术学报(TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety)，2012，27(1):136-1412TonyBurton，DavidSharpe，NickJenkins，etalWindenergyhandbookMNewYork:JohnWileySonsLtd，2001.200-2323罗宇锋，刘勇，陈建磊(LuoYufeng，LiuYong，ChenJianlei)模糊控制的爬山法在风电系统中的应用研究(Climbingmethodoffuzzycontrolinthewindpowersys-tem)J控制工程(Contro
10、lEngineeringofChina)，2014，21(3):378-3814赵梅花，范敏，陈军，等(ZhaoMeihua，FanMin，ChenJun，etal)双馈风力发电系统MPPT控制(Maximumpowerpointtrackingcontrolfordouble-fedin-ductiongenerationsystem)J电气传动(ElectricDrive)，2014，44(3):32-355付晓明(FuXiaoming)变速恒频风力发电系统最大风能追踪的控制(Maximalwind-energytrackingcontrolofvariableconstant-frequ
11、encywind-powergenerationsys-tem)J电力系统及其自动化学报(ProceedingsoftheCUS-EPSA)，2013，25(1):74-786EABossanyiWindturbinecontrolforloadreductionJWindEnergy，2003，6(3):229-2447LJohn，EUCarlos，BEJanaka，etalDampingoftor-sionalvibrationsinavariable-speedwindturbineJIEEETransactionsonEnergyConversion，2013，28(1):172-1808崔双喜，王维庆，周顺平(CuiShuangxi，WangWeiqing，ZhouShunping)基于估计的风力机最大功率跟踪控制(Maximumwindpowertrackingbasedonestimation)J计算机测量与控制(ComputerMeas-ureControl)，2014，22(5):1410-1412。