CN103485978B - 一种电磁转矩补偿实现最大风能快速平稳跟踪的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁转矩补偿实现风力机最大风能快速平稳跟踪的控制方法，通过电磁转矩补偿控制转子响应速度，从而实现风力机最大风能快速平稳的跟踪。对于转矩补偿环节的设计过程是这样的：首先，由于稳态时电磁转矩须对应于最佳转矩曲线在当前转速下的值，故初步确定了电磁转矩补偿环节的函数形式然后运用小信号分析法和拉普拉斯变换得出从而确定转子响应速度与风速的函数关系；接着根据转子响应速度与风速的关系设计电磁转矩补偿环节中补偿系数K_c的数学表达式以消除风速V_m对转子响应速度影响；最后在消除了风速对转子响应速度影响的基础上通过仿真确定补偿系数数学表达式中参数的值，使转子响应速度达到一个合适的值。

Description

一种电磁转矩补偿实现最大风能快速平稳跟踪的控制方法

技术领域

本发明是一种电磁转矩补偿实现最大风能快速平稳跟踪的控制技术，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

变速风电系统目前一般采用最大风能跟踪控制，这种控制方法的核心在于捕获风电系统的最大功率点。由于风速的随机性与风电系统的非线性，最大功率点捕获比较困难，也是风力发电的热点问题之一。传统的最大功率点捕获方法有很多种，实际应用较多的有爬山搜索法、功率反馈法、最优转矩法等。爬山搜索法的原理是人为地施加转速扰动变化量，根据发电机输出功率的变化确定风机转速的控制增量，通过控制发电机电磁转矩使得风机转速趋于给定，反复执行上述搜索策略，直到风电系统运行在最大功率点。这种方法的缺陷在于对惯性较大的大型风力机系统，实现最大功率点跟踪所需的时间较长，在风速持续变化的情况下其控制性能将受到影响，而且采用固定的转速扰动会导致机组转速波动较大，当风速变化幅度大时很难及时追踪最优速度，也很难抑制因风速噪声引起的转速波动。功率反馈法的原理则是测量出风力机的转速，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率，将它作为风力机的输出功率给定值并与发电机输出功率的观测值相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪。这种方法也存在一定缺陷，即风速的不同将导致发电机转子响应速度的差别，具体地讲就是当风速变化量相同时，风速较低的区域转子响应较慢；风速较高的区域转子响应较快。当同一风速区域下风速变化量不同时，风速变化量越大则转子响应越快。转子的响应速度直接影响到最大风能跟踪响应速度，如果跟踪响应速度过慢，风力机将损失部分功率；反之，将产生转矩脉动，对风力机轴造成损伤。最优转矩法的原理与功率反馈法原理相类似，不同点在于这种方法的控制思想是基于已知的最佳转矩曲线而不是最大功率曲线，通过转矩闭环控制，使得发电机电磁转矩实时跟踪此最优曲线（由最优转矩点组成），对应系统运行在最大功率捕获点。由于这种方法的原理与功率反馈法相类似，故这种方法的缺陷也与功率反馈法基本相同，即风速对系统快速性和平稳性的影响，在此不做赘述；综上所述，目前较为常用的最大功率点捕获方法普遍存在快速性和平稳性不够高的问题，因此有必要提出一种提高最大风能跟踪系统的快速性和平稳性的控制方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种简单有效的永磁同步发电机电磁转矩补偿的控制方法，从而能够对转子响应速度进行控制。该方法适用于所有永磁电机，无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单有效。

技术方案：由于转子的响应速度直接影响到最大风能跟踪响应速度，而如果跟踪响应速度过慢，风力机将损失部分功率；反之，将产生转矩脉动，对风力机轴造成损伤。所以要改善最大风能跟踪系统的快速性和平稳性就必须从控制转子响应速度入手。该方法在传统的基于最佳转矩法的最大风能跟踪控制系统中添加了电磁转矩补偿环节，首先，由于稳态时电磁转矩须对应于最佳转矩曲线在当前转速下的值，故初步确定了电磁转矩补偿环节的函数形式其中：K_c为转矩补偿系数，T_m为原动机输入的机械转矩，为电磁转矩初步给定值，使电磁转矩给定值经补偿后由变为 $T_e^{\′*}=T_e^{*}-K_c*(T_m-T_e^{*});$

然后结合风力机气动方程P_m=0.5ρπR²C_p(ω,V_m)V_m ³和发电机的运动方程以及最优转矩曲线T_e＝k_optω²推导出函数关系式中：P_m为风力机输出机械功率，ρ为空气密度，R为风力机风轮半径，V_m为风速，ω为风轮转速，是风轮转速对时间的导数，C_p为风能利用系数，J为转动惯量，T_m为原动机机械转矩，T_e为电机的电磁转矩，k_opt为决定于风力机设计的常数，为运用小信号分析法和拉普拉斯变换对进行处理，从而确定转子响应速度与风速的函数关系式中：s为拉普拉斯运算子，a₁为传递函数极点，它是关于V_m的正比例函数，a₂为传递函数增益，它也是关于V_m的正比例函数；接着用补偿后的电磁转矩T_e′＝T_e-K_c*(T_m-T_e)代替电机运动方程中的T_e，数值上采用与上述相同的方法得到响应速度与风速的函数关系式中a₁′为传递函数极点，表达式为a₁′=a₁(K_c+1)，a₂′为传递函数增益，表达式为a₂′=a₂(K_c+1)，由于a₁、a₂为关于V_m的正比例函数，为了消除风速V_m对转子响应速度影响，将电磁转矩补偿环节中补偿系数K_c的数学表达式设定为式中：k为常数；

最后在消除了风速对转子响应速度影响的基础上，在以风机的切入风速和切出风速为区间端点的区间内对k进行试值，观察转速及风机输出转矩在各个风速下的仿真波形，通过比较选取一个在各个风速下都能使转速响应达到较好快速性同时使输出转矩有较高平稳性的值，作为k的最终确定值。

经过上述方法得到的补偿后的电磁转矩在静态工作点之间的过渡过程中不再沿着最佳转矩曲线，而沿着另一种轨迹变化，让转子响应速度达到一个合适的值，从而使系统在各个风速下都具有较高的快速性和平稳性。

有益效果:由于本发明的技术实施对象为永磁同步电机，采用较为成熟的转矩控制策略，因此，该补偿方法只需修改控制软件，无需增加系统成本，简单易行。具体有如下优点：

1.采用所提出的电磁转矩补偿控制方法，消除了风速对最大风能跟踪的影响，使得各个风速下的跟踪响应速度相一致，并且可以根据各种情况人为地改变跟踪速度；

2.通过对电磁转矩正补偿使得由于高风速所引起的转矩脉动明显减小了；

3.通过对电磁转矩负补偿，使低、中风速情况下最大风能跟踪的快速性得以提高，减小了动态过程中的能量流失；

4.适用于任何永磁同步电机风力发电的转矩控制，且只需对电磁转矩的给定进行适当改动，简单易行。

附图说明

图1为本发明所提出的电磁转矩补偿实现风力机最大风能快速平稳跟踪的控制系统框图。其中包括：滞环控制器1、开关表模块2、变频器3、磁链观测和转矩计算模块4、永磁同步电机5、转矩补偿模块6、最优转矩曲线模块7。

具体实施方式

如图1所示，系统利用电压、电流传感器检测到直流母线电压和定子电流，再通过磁链观测转矩计算模块4计算出当前磁链和电磁转矩的值。实际转速信号通过最优转矩曲线模块7得到电磁转矩初步给定值，在此基础上加上转矩补偿得到最终的电磁转矩给定值。将电磁转矩和磁链的给定值分别与当前电磁转矩和磁链的计算值经过滞环比较器1，其输出结果输入开关表2以确定开关状态，从而控制定子的空间矢量，以驱动永磁同步电机5。其中，转矩补偿模块6的设计如下：首先，由于稳态时电磁转矩须对应于最佳转矩曲线在当前转速下的值，故初步确定电磁转矩补偿环节的函数形式为（式中：K_c为转矩补偿系数，T_m为原动机输入的机械转矩，为电磁转矩初步给定值）使电磁转矩给定值经补偿后由变为然后进行理论分析，结合风力机的气动方程式P_m=0.5ρπR²C_p(ω,V_m)V_m ³（式中：P_m为风力机输出机械功率，ρ为空气密度，R为风力机风轮半径，V_m为风速，ω为风轮转速，C_p为风能利用系数）和发电机的运动方程（式中：J为转动惯量，T_m为原动机机械转矩，T_e为电机的电磁转矩）以及最优转矩曲线T_e＝k_optω²（式中：k_opt为决定于风力机设计的常数）推导出函数关系 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=f(\mathrm{\ω},V_m)$ （式中：为），就是将 $T_m=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}=\frac{0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_p(\mathrm{\ω},V_m){V_m}^3}{\mathrm{\ω}}$ 和T_e＝k_optω²代入 $J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e$ 中得 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_p(\mathrm{\ω},V_m){V_m}^3/\mathrm{\ω}-k_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}^2}{J}=f(\mathrm{\ω},V_m),$ 再运用小信号法对其进行处理，也就是对两边取全微分，将无限小的信号增量用有限的增量来代替得到 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=a_1\mathrm{\Δ\ω}+a_2\mathrm{\Δ}{V}_m$ （式中 $a_1=\frac{\∂f}{\∂\mathrm{\ω}},a_2=\frac{\∂f}{\∂V_m}$ ），在静态工作点算得： $a_1=\frac{\∂f}{\∂\mathrm{\ω}}=\frac{1}{J}[\frac{0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{\ω}\frac{\∂C_P(\mathrm{\ω},V_m)}{\∂\mathrm{\ω}}-0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_p(\mathrm{\ω},V_m){V_m}^3}{{\mathrm{\ω}}^2}-2k_{\mathrm{opt}}\mathrm{\ω}]$ $a_2=\frac{\∂f}{\∂V_m}=\frac{1}{J}\left[\frac{0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{V}_m^2{C}_P(\mathrm{\ω},V_m)+0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{V_m}^3\frac{\∂C_P(\mathrm{\ω},V_m)}{\∂V_m}}{\mathrm{\ω}}\right],$ 由于系统在静态工作点附近，故C_p(ω,V_m)可近似为常数， $\frac{\∂C_P(\mathrm{\ω},V_m)}{\∂\mathrm{\ω}}=\frac{\∂C_P(\mathrm{\ω},V_m)}{\∂V_m}=0,$ 再将 $\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}{V}_m}{R}$ （其中λ_opt为最佳叶尖速比，是一个常数）代入a₁、a₂表达式，则a₁、a₂表达式可化简为 $a_1=(\frac{-0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^4{C}_P(\mathrm{\ω},V_m)}{J{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^2}-\frac{2k_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{\mathrm{JR}})V_m,a_2=\frac{1.5\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_P(\mathrm{\ω},V_m)}{J{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{V}_m,$ 可以看出a₁、a₂均为关于V_m的正比例函数。接着对进行拉普拉斯变换，可以得到由此可见，a₁为传递函数极点，a₂为增益。根据自动控制理论，传递函数的增益和极点直接影响系统的响应速度，由此可以得出结论：风速通过影响a₁、a₂的值来影响转子的响应速度，从而影响系统的快速性和平稳性。也就是说可以通过相应的控制使a₁和a₂摆脱风速的影响并人为地改变转子响应速度，从而调整系统的快速性和平稳性。将补偿后的电磁转矩T_e′＝T_e-K_c*(T_m-T_e)（数值上）代入发电机的运动方程代替原来的T_e，用与求极点a₁、增益a₂相同的方法可求得新的极点a₁'和增益a'₂，可以算得它们的表达式分别为a₁′=a₁(K_c+1)，a₂′=a₂(K_c+1)，由于a₁、a₂均为关于V_m的正比例函数，故只需令K_c的形式为（k为常数）即可抵消风速V_m的影响，最后在消除了风速对转子响应速度影响的基础上，在以风机的切入风速和切出风速为区间端点的区间内对k进行试值，观察转速及风机输出转矩在各个风速下的仿真波形，通过比较选取一个在各个风速下都能使转速响应达到较好快速性同时使输出转矩有较高平稳性的值，作为k的最终确定值。经过上述方法得到的补偿后的电磁转矩在静态工作点之间的过渡过程中不再沿着最佳转矩曲线，而沿着另一种轨迹变化，让转子响应速度达到一个合适的值，从而使系统在各个风速下都具有较高的快速性和平稳性。

Claims (1)

1.一种电磁转矩补偿实现最大风能快速平稳跟踪的控制方法，其特征在于：该方法在传统的基于最佳转矩法的最大风能跟踪控制系统中添加了电磁转矩补偿环节，

第一步：初步确定电磁转矩补偿环节的函数形式其中：K_c为转矩补偿系数，T_m为原动机输入的机械转矩，为电磁转矩初步给定值，使电磁转矩给定值经补偿后由变为 $T_e^{\′*}=T_e^{*}-K_c*(T_m-T_e^{*});$

第二步：结合风力机气动方程P_m＝0.5ρπR²C_p(ω,V_m)V_m ³和发电机的运动方程 以及最优转矩曲线T_e＝k_optω²推导出函数关系式中：P_m为风力机输出机械功率，ρ为空气密度，R为风力机风轮半径，V_m为风速，ω为风轮转速，是风轮转速对时间的导数，C_p为风能利用系数，J为转动惯量，T_m为原动机机械转矩，T_e为电机的电磁转矩，k_opt为决定于风力机设计的常数，为运用小信号分析法和拉普拉斯变换对进行处理，从而确定转子响应速度与风速的函数关系式中：s为拉普拉斯运算子，a₁为传递函数极点，它是关于V_m的正比例函数，a₂为传递函数增益，它也是关于V_m的正比例函数；接着用补偿后的电磁转矩T′_e＝T_e-K_c*(T_m-T_e)代替电机运动方程中的T_e，数值上采用与上述相同的方法得到响应速度与风速的函数关系式中a′₁为传递函数极点，表达式为a′₁＝a₁(K_c+1)，a′₂为传递函数增益，表达式为a′₂＝a₂(K_c+1)，将电磁转矩补偿环节中补偿系数K_c的数学表达式设定为式中：k为常数；

第三步：在消除了风速对转子响应速度影响的基础上，在以风机的切入风速和切出风速为区间端点的区间内对k进行试值，观察转速及风机输出转矩在各个风速下的仿真波形，通过比较选取一个在各个风速下都能使转速响应达到较好快速性同时使输出转矩有较高平稳性的值，作为k的最终确定值。