一种风力发电机功率的自适应控制器设计

罗小锁

摘要：针对风力发电机功率控制系统，本文提出一种自适应控制方法。首先得到风力发电机功率模型，然后根据该模型设计自适应控制器，最终通过仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：风力发电机;功率模型;自适应控制

中图分类号：TP273             文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）26-0025-02

21世纪的关键挑战之一是发展清洁能源，为未来的技术提供动力。工程师们已经开发出风能作为一种合适的能源解决方案。风力发电是世界上增长最快的清潔能源[1]。

如今，大多数风电场都位于偏远地区，以最大限度地获取风能，因此需要围绕维护活动进行仔细规划，以保持对风电场的访问频率较低。风力涡轮机的运营商正在寻求最大限度地利用这些涡轮机生产电力，同时将运营成本保持在最低水平。这就需要研究提高风力涡轮机运行可靠性和成本效益的方法。

风力机工作原理为风能分别通过叶片、传动系和发电机系统转化为机械能和电能。叶片通过轮毂连接到低速轴上。这种低速轴通过齿轮系统连接到高速轴上，用来在发电机上产生旋转力，从而产生所需的电力[2-3]。风力发电机建模设计到各个子系统，而每个子系统需要达到满意的控制效果，其中功率控制至关重要，研究方法诸多，本文提出一种基于变区域自适应控制的功率控制器，达到良好的控制效果。

1 风力发电机功率模型

为了进一步研究风力发电机组系统，需要建立风力发电机组的模型。建模所考虑的部件包括风模型、气动模型、俯仰系统模型、传动系统模型、发电机和变流器模型。模型的方程可由文献[4]和[5]得到。本文以发电机转矩和发电机产生的功率为建模量，模型如图1所示。转矩的动力学可以用一阶时滞系统来建模。

2 风力发电机功率自适应控制器

该风力发电机功率自适应控制器工作在两个区域，区域Ⅰ表示功率优化区域，区域Ⅱ表示功率参考区域，以100HZ的频率实施，控制器以区域Ⅰ启动。区域分布如图2所示。

从风力发电机组功率工作区域分布图可以看出，风力发电机仅能在有限的区域内工作，具体可分为区域I和区域II，分别表示部分负载区域和满负载区域。当风速低于切入风速时，即在进入I区以前，风力涡轮机不工作，不产生任何电能，风机处于待机状态，因为在此区域内运行成本超过了其所产生电能的价值。同样的，当风速超过切出风速时，即在II区以后，也没有电能产生，因为在超出切出风速时风力发电机被停止运行，从而保护它免受结构性过载。所以风机的功率控制主要集中在区域I和区域II。

3 仿真实例

为了验证所提控制器的有效性，满足恒功率因素输出要求，以风力发电机组功率作为控制目标。设置功率的参考值为[Pg，ref]=30 KVar。参考功率与实际功率跟踪曲线如图3所示，在所提出的控制策略下，达到了良好的调节效果。

4 结论

本文针对风力发电机功率控制系统，设计一种自适应控制器。自适应表现在通过不同区域设计不同的控制器，得到控制输出。并且通过仿真实验，验证了控制器的有效性。

参考文献：

[1] 宋卓彦， 王锡凡， 滕予非， 等. 变速恒频风力发电机组控制技术综述[J]. 电力系统自动化， 2010， 34（10）： 8-17.

[2] 杨茂， 杨琼琼. 风电机组风速-功率特性曲线建模研究综述[J]. 电力自动化设备， 2018， 38（2）： 34-43.

[3] 陈柳， 罗治伟， 张虎，等. 双馈式风电机组的自适应Super-twisting功率控制[J]. 重庆大学学报， 2018， 41（4）： 20-28.

[4] P. F. Odgaard， J. Stoustrup， M. Kinnaert. Fault-Tolerant Control of Wind Turbines： A Benchmark Model[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2013， 21（4）： 1168-1182.

[5] L. L. Fan， Y. D. Song. Model reference adaptive fault-tolerant control with application to wind turbines[J]. IET Control Theory & Applications， 2011， 6（4）： 1314-1319.

【通联编辑：梁书】