变速恒频发电系统变桨距自抗扰控制分析

张发，王虎成（中广核风电内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特　010010）



变速恒频发电系统变桨距自抗扰控制分析

张发，王虎成
（中广核风电内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特010010）

摘要：变速恒频风力发电系统属于高精度控制的系统，它呈现非线性的架构，会受到风能及气动效应的干扰和影响，因而难于控制，使其输出的电能质量较差，需要对其进行控制分析，提高变速恒频发电系统在运行区域内的动态性能，要根据变速恒频发电系统的控制现状，采用设计下的自抗扰控制技术，利用自抗扰控制器进行仿真分析，提高变速恒频发电系统的动态性能及鲁棒性。

关键词：变速恒频发电系统；变桨距；自抗扰；控制

变速恒频风力发电方式突破了传统的同步运行的观念，可以不受发电机输出频率的限制，实现连续的风速调控，从而提升机组的发电效能。由于风能是一种可再生的资源，在绿色、低碳的资源利用倡导之下，风力发电成为了人们普遍关注的热点问题，如何利用好风力发电是目前的研究方向。

1　变速恒频发电系统中的变桨距自抗扰控制

在变速恒频发电系统之中，采用双馈式的风力发电系统是一种有效而适宜的方式，它采用自抗扰控制技术，根据变速恒频风力发电的过程误差状况，进行大小和方向的调节和控制，并且呈现出强非线性的特点，它通过对非线性结构的反馈调节控制，利用变浆距观测器探测变速恒频发电系统的变量以及干扰性影响，从而采用前馈补偿的方式加以调节和控制。在这种控制技术之下，可以无须依赖调控对象的模型，只有简单的算法模式即可以实现解耦控制和调节。

2　变速恒频发电系统在不同阶段的自抗扰控制

（1）起动并网阶段。在风力发电系统之中，当该系统还没有向电网进行供电的情况之下，风速较低，在达到一定的切入速度之后，自抗扰控制系统则利用变桨距改变叶片节距角，实现对风速的调节，在这个控制过程中，要将自抗扰系统控制在恒定的范围之内，使其变化处于可控制、可调节的过程中，同时，还要在并网条件下实施并网操作，由于变速恒频发电系统采用空载并网和负载交网两种方式，在空载并网方式之下，由于其结构较为简单，容易控制，因而可以通过自抗扰控制器技术，测量出电网的电压和发电机的转速状态，并以此调节励磁电流频率、大小和方向等。在起动阶段，可以将矢量控制技术与自抗扰控制器技术相结合进行使用，实现空载并网控制，这种新型的并网控制策略可以无须建立精准的数学模型，它利用其内部的扩张状态观测器，即可以实现系统的内外扰动，具有极强的无超调、快速性和鲁棒性的特征，实现良好地动态性能。

（2）最优功率跟踪阶段。在变速恒频风力发电系统的最优功率跟踪阶段，可以将稳定、优良的风能转换为电能，实现风能向电能的转化，在这个控制系统之中，要根据风速的变化状态，连续地调节风机的转速，以获取最大程度的风能吸收和利用。在这个阶段中，利用变桨距的非线性控制器，可以实现有功功率和无功功率的完全解耦，在有效的控制之下，最大限度地捕获风能，并且根据电网的需求，产生一定的无功功率，从而满足电网的需求。在最优功率跟踪的阶段，可以跟踪风轮的最佳转矩速度曲线，在独立的状态下，利用非线性反馈控制规律实施补偿，最大程度地捕获风能，瞬间实现电网电压的调节，并可以稳定脆弱电网，对于波动的电网电压有较强地抑制能力。

（3）恒功率输出阶段。在变速恒频风力发电系统的高风速状态之下，可以通过变桨距，调节叶片节距角，调节变速恒频风力发电系统的功率，使其稳定在额定值的安全范围之内，可以建立风机和变桨距机构的模型，测量变速恒频系统的状态以及风速扰动状况，再以状态偏差为依据，配置变速恒频系统的非线性结构，达到抑制转速偏差的问题。在这个过程中，可以采用高速浮点芯片作为核心控制器，在自抗扰控制系统的算法之下，实现对风力机桨距角的精准控制和调节，从而使变桨距控制器在良好地动态响应功能之下，保障变速恒频风力发电系统的安全、稳定运行。

3　变速恒频风力发电系统仿真分析

相关的仿真参数为：额定功率为PN=1.5MW，额定风速V=12m/s，最大风能利用系统为Cpmax=0.44，风速为12m/s以下时，桨距角为0°，最大风能利用系数基本保持恒定状态，在最优叶尖比变速运行的状态下，可以实现风能的最大功率追踪。当风速为12m/s之下时，桨距角、叶尖速比则会发生变化，风能利用系统会下降，可以适当改变自抗扰系统的控制参数，选取最大范围内的有效控制参数，实现有效控制。

4　结语

综上所述，变速恒频风力发电系统要以风力发电机组的性能为前提，要基于风力发电机组的动态模型，进行自抗扰控制系统的设计，要注重不同阶段下的自抗扰控制技术运用，并且当风电机组的转速低于额定风速时，要进行全程的跟踪，最大程度地捕获风能，当风电机组的转速高于额定风速时，要通过变桨距测量进行调节，要调整相关的参数，从而使风机转速和功率值维持在恒定的范围之内，实现良好地动态控制。

参考文献

［1］张金芳，姚恩利，许曼.风力发电机组变桨距线性自抗扰控制［J］.华东电力，2013，（2）.

［2］陈增强，孙明玮，杨瑞光.线性自抗扰控制器的稳定性研究［J］.自动化学报，2013，（5）.

［3］黄一，薛文超.自抗扰控制：思想、应用及理论分析［J］.系统科学与数学，2012，（10）.

Immunity Control Analysis of Variable speed Constant Frequency Electric System Variable pitch

ZHANGg Fa，WANG Hu-cheng
（Inner Mongolia branch of CGNPC wind power CO.LTD.，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China）

Abstract:VSCF wind power generation system belongs to the high precision control system.It presents a nonlinear architecture，and is affected and interfered by wind and aerodynamic effect，so it is difficult to control.In order to improve dynamic performance of VSCF wind power generation system in the operation area，according to the current situation of VSCF wind power generation system，adopts the design of active disturbance rejection control technology，uses auto disturbances rejection controller （ADRC）to do simulation analysis to increase dynamic performance and robustness of VSCF wind power generation system.

Key words:variable speed constant frequency electric system；Variable pitch；immunity；control

中图分类号：TM921.51

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0043-02

收稿日期：2016-04-27

作者简介：张发（1986-），男，山西朔州人，大学本科，助理工程师，主要研究方向：电气工程、电力系统。