电励磁双凸极风力发电机系统MPPT控制策略的对比

周兴伟，周 波，郭鸿浩，刘 颖

（南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京210016）

引言

随着风力发电技术的迅速发展，变速直驱风力发电系统以其独特优势，逐渐成为风力发电领域研究的热点之一。额定风速以下，对机组进行最大风能跟踪控制，使机组在不同的风速下运行于相应的最佳转速，可以提高风轮机的捕获效率［1-2］。目前MPPT控制实现方法主要有3种：叶尖速比法［3］、功率信号反馈法［4］和扰动观察法［5］。

电励磁双凸极风力发电机是在开关磁阻发电机的基础上发展起来的新型电机，具有结构简单、成本低、可靠性高等优点，并且气隙磁通可方便调节，容易实现故障灭磁，提高了系统的可靠性［6］。电励磁双凸极发电机的诸多优点决定了其在风电领域具有很大的发展潜力与研究价值。

本文以48/32极10 kW电励磁双凸极风力发电机为对象，在分析其工作原理的基础上，运用叶尖速比法和功率信号反馈法控制策略，通过控制发电机励磁电流调节发电机转速，实现电励磁双凸极风力发电机系统的MPPT控制，并对两种控制策略性能进行了对比研究。

1 电励磁双凸极风力发电机系统MPP控制策略

电励磁双凸极发电机的转矩方程为

式中：Tp为p相转矩；Tpr为 p相磁阻转矩；Tpe为p相励磁；ip为p相电流；Lp为p相自感；if为励磁电流，Lpf为p相绕组与励磁绕组互感。

不考虑摩擦，系统机械方程为

式中：Tw为风力机输出机械转矩；Tg为发电机电磁转矩；J为系统转动惯量；ω为发电机转速。

由式（1）知：调节发电机励磁电流可以控制发电机电磁转矩，通过式（2）得到调节发电机电磁转矩可以调节发电机转速。所以，通过调节发电机励磁电流可以实现发电机的变速运行以达到MPPT控制的目的。

1.1 叶尖速比法

叶尖速比法控制框图如图1所示。具体过程是：根据风速v计算当前风速下风轮机运行的最佳转速ωopt，将最佳转速ωopt与实际转速ω进行比较后经PI调节器得到励磁电流给定i*f，再与实际励磁电流if比较后经滞环控制，得到励磁功率电路的驱动信号，从而实现发电机系统的MPPT控制。

图1 叶尖速比法控制框图

1.2 功率信号反馈法

功率信号反馈法控制框图如图2所示。具体过程是：通过位置传感器求取机组当前的转速ω，查表获得对应转速下风力机运行的最大功率Popt，将最大功率Popt与机组实际输出功率Pout进行比较后经PI调节器得到励磁电流给定i*f，再与实际励磁电流if比较后经滞环控制，得到励磁功率电路的驱动信号，从而实现MPPT控制。

图2 功率信号反馈法控制框图

2 MPPT控制策略的建模及仿真研究

表1 电励磁双凸极风力发电机系统相关参数

基于上述理论及其控制策略，下面对系统控制策略进行仿真对比分析。在MATLAB/simulink中搭建了系统的仿真模型［7］，相关参数如表1所示。

阶跃变化的风速在评估风力发电系统的较苛刻工况时被广泛采用［8］，而随机风是更接近与自然风的风速模型，本文采用阶跃风和随机风作为风速模型以验证系统控制策略的有效性并对其控制效果进行对比。

图3和图4分别给出了阶跃风速下叶尖速比法和功率信号反馈法的仿真结果，其中风速在10 s时由8 m/s阶跃上升至9 m/s。由仿真结果可知：在阶跃风下，叶尖速比法和功率信号反馈法均能实现最大风能跟踪。当风速阶跃上升时，叶尖速比法的转速参考增加，PI调节后励磁电流参考减小，发电机转矩下降使机组升速，直到高于当前风速下的最佳转速，励磁电流参考开始增加，机组减速，经过一个动态过程到达稳态；而功率信号反馈法在功率外环影响下，风速阶跃上升时，转速增加，参考功率增加，故励磁电流参考增加，当输出功率增加到大于当前转速下的参考输出功率，励磁电流开始减少，如此调节，经过一定的调节时间到达新的风速下的稳态。

图3 阶跃风速下叶尖速比法仿真结果

图4 阶跃风速下功率信号反馈法仿真结果

图5 随机风速下叶尖速比法仿真波形

图6 随机风速下功率信号反馈法仿真波形

两种控制策略相比，当风速阶跃上升时，功率信号反馈法中，励磁电流在功率外环的作用下直接上升，经过一定时间到达稳态，而叶尖速比法励磁电流在转速外环作用下经过一个先下降再上升的过程，所以功率信号反馈法励磁电流脉动较小。但是阶跃风速下叶尖速比法调节时间比功率信号反馈法短。

图5和图6分别给出了随机风速下叶尖速比法和功率信号反馈法的仿真结果。可以看出，在随机风下，通过调节励磁电流，系统转速能够跟随风速变化而变化，两种控制策略的风能利用系数都能较好地稳定在最大值0.343，即系统在随机风下能够实现最大风能跟踪。两种控制策略相比，功率信号反馈法的转速和励磁电流脉动较小。

综合以上仿真结果，不难得出：叶尖速比法和功率信号反馈法均能实现不同风速下机组最大功率的输出，说明了调节励磁电流实现系统MPPT控制的正确性，为后续的实验研究奠定了基础。在阶跃风速下叶尖速比法较功率信号反馈法系统响应更快；但在阶跃风和随机风下，功率信号反馈法转速更加平稳，励磁电流脉动更小，即功率信号反馈法的发电机电磁转矩脉动较小，更有利于延长机组寿命。

3 MPPT控制策略的实验比较研究

基于以上理论分析和仿真研究，在实验室电励磁双凸极风力发电机系统实验平台上，对MPPT控制策略进行了实验研究。平台采用直流电机模拟风轮机，相关参数如表1所示。

图7和图8分别给出了阶跃风速下发电机输出接纯阻性负载时叶尖速比法和功率信号反馈法的实验结果，风速在t1时刻由8 m/s阶跃至9 m/s。如图7所示，当系统采用叶尖速比法控制时，t1时风速阶跃上升，由于系统转动惯量较大，转速不能突变，故发电机实际转速小于参考转速，在转速外环和励磁电流内环的作用下励磁电流减小，直至t2时刻，机组转速开始升高，励磁电流开始逐渐增大，机组转速升高直到t3时刻达到最大值，之后机组转速开始逐渐下降，经过一个动态过程，直到t4时机组再次达到稳态。系统采用功率信号反馈法控制时，实验结果如图8所示，风速阶跃上升，转速开始逐渐增加，此时机组输出功率小于当前参考功率，励磁电流在功率外环和励磁电流内环作用下增加，直到t2时刻转速到达最大值，此时系统输出功率大于参考功率，励磁电流开始下降，经过一个动态过程，直到t3时刻系统到达新的稳态。

图7 阶跃风速下叶尖速比法实验波形

图8 阶跃风速下功率信号反馈法实验波形

阶跃风速下实验结果表明叶尖速比法和功率信号反馈法均能实现系统的最大风能跟踪，验证了以上理论分析和仿真结果的正确性。两种控制策略实验结果相比，叶尖速比法的调节时间较短，但是其励磁电流经过一个先下降再上升的调节过程，故其励磁电流脉动较大，即发电机输出电磁转矩脉动较大。此外，不难看出：叶尖速比法的风能利用系数较功率信号反馈法明显波动大，即功率信号反馈法能够更好地实现最大风能跟踪。综上所述，阶跃风速下，功率信号反馈法的最大风能跟踪效果优于叶尖速比法。

图9和图10分别给出了随机风速下发电机输出接纯阻性负载时叶尖速比法和功率信号反馈法的实验结果。两种控制策略相比，功率信号反馈法转速比叶尖速比法更平稳，叶尖速比法的风能利用系数有明显波动，而功率信号反馈法能够较好地稳定在最大值0.343，说明功率信号反馈法能够更好地实现最大风能跟踪。综上所述，随机风速下，功率信号反馈法能够更好地实现最大风能跟踪。

图9 随机风下叶尖速比法实验波形

图10 随机风下功率信号反馈法实验波形

由上述实验结果，不难得到系统在阶跃风和随机风下均能实现系统的MPPT控制。两种控制策略相比，功率信号反馈法的励磁电流脉动小，即发电机输出电磁转矩脉动小，有利于延长机组寿命；其风能系数比叶尖速比法能更好地稳定在最大值0.343。实验结果表明功率信号反馈法控制效果优于叶尖速比法。

4 结语

本文在分析电励磁双凸极风力发电机及其控制策略的基础上，运用叶尖速比法和功率信号反馈法，通过控制发电机励磁电流调节发电机转速以实现最大风能跟踪。仿真和实验结果均表明功率信号反馈法运行平稳，转矩脉动较小，有利于延长机组寿命，并且其风能利用系数能够较好地保持在最大值，能够更好地进行最大风能跟踪。所以在电励磁双凸极风力发电机系统中功率信号反馈法MPPT控制效果优于叶尖速比法。

［1］Neammanee B,Sirisumranukul S,Chatratana S.Control performance analysis of feed forward and maximum peak power tracking for small-and medium-sized fixed pitch wind turbines ［C］//International Conference on Control,Automation,Robotics and Vision.Singapore， 2006：1-7.

［2］胡海燕,潘再平.开关磁阻风电系统最大风能追踪控制［J］.太阳能学报,2005,26（6）：787-791.

［3］Cardenas R,Pena R.Sensorless vector control of induction motors for variable-speed wind enrgy application［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19（1）：196-205.

［4］胡家兵,贺益康,刘其辉.基于最佳功率给定的最大风能追踪控制策略 ［J］.电力系统自动化，2005，29（24）：32-38.

［5］Barakati S M,Kazerani M,Aplevich J D.Maximum power tracking control for a wind turbine system including a matrix converter［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion,2009,24（3）：705-713.

［6］魏佳丹.电励磁双凸极起动/发电机系统特性研究［D］.南京：南京航空航天大学,2008.

［7］张乐,周波,程方舜,等.新型电励磁双凸极风力发电机组建模与仿真［J］.中国电机工程学报,2011,31（24）：90-96.

［8］左广杰.电励磁双凸极风力发电机系统最大风能跟踪控制的研究［D］.南京：南京航空航天大学,2011.