刘观

电机易犊蒯应用2021,48（2）

新能源发电与局域电网IEMCA

基于自抗扰控制的双馈风力发电系统

最大功率追踪研究

#李华柏，粟慧龙，谢永超

（湖南铁道职业技术学院轨道交通机车车辆学院，湖南

株洲412001）

摘要：为了实现双馈风力发电系统在额定风速以下运行时发电功率的最大输出与平稳运行，提出一种

电流内环与自抗扰控制

（ADRC）

速度外环的控制方式，使双馈风力发电机（DFIG）电流与转速能快速响应风速

,行最大功率。了ADRC控制

的抗干扰性能与性

，能够实现风力发电

系统的最大功率追踪。

关键词：双馈风力发电机；自抗扰控制；风力机；最大功率追踪；扩张状态观测器；风能利用系数

中图分类号：TM614文献标志码：A文章编号：1673-6540（2021）02-0071-05

doi：10.

12177/emca.2020.190

RearchonPowerControlofDoubly-FedWindPower

GenerationSystemBadonADRC*

收稿日期：2020-10-15；收到修改稿日期：2020-12-10

*基金项目：湖南省自然科学基金项目（2020JJ6095）

作者简介:

李华柏

（1973—），男，硕士，副教授,研究方向为电机及其控制,电力电子及其传动。

粟慧龙

（1982—），男，硕士，副教授,研究方向为智能控制。（通信作者）

LIHuabo,SUHuilong关于清廉的诗 ,XIEYongchao

(SchoolofLocomotiveandVehicle,HunanRailwayProfessionalTechnologyCollege,Zhuzhou412001,China)

Abstract：Althoughthedoublyfed-windpoweoyenerationsystemoperatesbelow

theratedwind

speed,the

oterealizethisgoat,acontrotmodeofcurrent

inneoloop

andactivedisturbancerejection

controt(

ADRC

)

speedouteoloopispropod,whichmakesthecurrent

andspeedofdoubly-fedinductiongenerator(DFIG)

quicklyrespondtethewindspeedchangesand

conduct

tionresultsshowthatADRChaxcellent

anti-interferenceperformance

and

adaptability,andcanreelizemaximumpowe酱爆猪肝 rtrackingofwindpowergenerationsystem.

Keywords:doubly-Fedinductiongereratoc(DFIG)；acti台湾娱乐节目 vedisterCanccrejectioncontrol(ADRC)；

windturbine；maximum

powertrackiiig；extendeestateobrver；windenergyutilizationcoeffeieet

0引言

双馈异步风力发电系统中风力机捕获的风能

取风速与，在风速额定风速

时，系统行最大功率。风电机组

干扰、强耦合、的性特性，很难获得

其的数学，其扰与性，对

风电系统的功率控制的’

最大功率输出控制的方基于风力

机功率与基最速的最大功率

踪（MPPT）控制。

双馈风电机组的MPPT研究，文献[1]

自传定的自抗扰

控制（ADRC）[1]o[2]提出最速

的ADRC策略。控制[3]、

控制⑷应用到风电系统功率控制，也取了'

—71—

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的效果。文献[5-8]的研究ADRC在最大功

率、最大风能捕获方的控制

。

风电系统最大功率发电效率

低、功率输出不稳定，将ADRC应用于

MPPT中的双馈风力发电机（DFIG）转速控制，以

快速风速，输出最大功率。

1风力机最大功率追踪的控制

PFIG输出功率可以表示为

3二于Cpp2p!（】）

风能利用系数Cp是叶尖速比"与桨距角

#的，痔性1五行属火的颜色 。，入一定

时,#越大,Cp。

0246

81012141618

图1叶尖速比与风能利用系数特性曲线

在额定风速以下时，为定值时，当

"Z"opt（最速比）

，时Cp-

CPmax，风力机

转率最高。，风转速实时

风速的，最速

，就能输出最

大功率〔3_4]:

3_0.5p!6（

厂9=）3CPmax$N（

m（max）

（"%

1-$/$

式中：$为转子电角速度;$为转差角频率，$二

$1-$,$1为定子磁场同步转速。

风电机组MPPT原理2所示。跟踪过程

为:设风力机运行于C点，如风速从7突然降到

71，机械功率将由Pc突然降到3[,此时风力机因

为惯性作用仍然在转速$2下运行（；）。旦

Pb＜Pc,发电机转速下降。因此，风力机沿；＜曲

线运行，发电机沿C＜曲线运行，当到达＜点时,

卩（JO?①

图2风电机组MPPT原理图

功率重新达到平衡，系统稳定运行于＜点。

根据以上，为了使风待人接物 力机始终沿最佳功

率3opt运行，

最速与最大风能

系数，输出最大功率。本文设计了电流内环

控制器，以及ADRC转速外环调节五星红旗意义 器，在捕获最大

风能的同时,DFIG转速、电流能快速追踪风速变

化，输出最大功率。

2DFIG电流内环与转速外环控制

器的设计

2.1DFIGADRC转速控制器设计

ADRC控制器微分器（TD）、扩张状态

观测器（ESO）、非线性状态误差反馈（NLSEF）和

扰动补偿组成〔9]o

ADRC转速控制原理如图3所示。

图3双馈电机ADRC转速ADRC原理

3中,$为角速度,$*是TD的输入信号,

$1为$#的跟踪值,$1为$#的微分信号,＞1为实

际转速$

的观测值,＞2为总扰动＞3的估计值。

DFIG机械运动方程：

7$NP-PC-$N/八

式中：为电磁转矩;卩为转子极数；B为转动惯

量;@为阻力矩。

DFIG转速受转动惯量

、负载转矩与阻尼系数

内外扰动的影响,将系统内外扰动总和记

为＞（?:

式（3）以为

＞（方）是未知的非线性不确定因素，只需要根

据风速实时前馈补偿到系统中。

—72—

电札与挖剧应用2021,48(2)

新能源发电与局域电网IEMCA

fsun设计一阶TD：

$%二fsun($%-$*,%,&)(6)

ESO的方程为〔&*

匕(二>

_$

<>14>一'%f?[E(?,%,&)+&0$

(7)

、>4一'CHE(?，%，&)

式中：％为滤波，取0.5；&为线性区间的宽

度;E为输入误差信号;'%、为反馈增益;f为

非线性函数;&为补偿因子&二十；$为控制量,

$二

[e|'s/n(e),e

e>&

fal(4(

.希，N,c(，)e<&

TD方程为

p()4$1-$*

1$14-'•f?(Eo,(0，&)

式中：s/n为符号函数。

NLSEF方程为

(9)

『14$1->

IT*4H1fal(E,(，&)+

H2fal(e2(，&)

式中：H、H"为可调参数。

再由ESO实时估计出的扰动>进行补偿，得

到转矩扰动观测值，即输出控制量为

@二匚

->/&0(11)

2.2DFIG电流内环控制器松龄血脉康 的设计

无刷DFIG的电磁转矩方程为

@41.5pAm(**-**)(1")

采用定子磁链定向矢量控制时,DFIG方程为

”*4(!Oo一0s)

*

_!sSsg/厶=

V

厶s*+

!m*N4)s

丄O*+!m*40

定子侧无功功率为

(13)

(14)

由式(12)〜式(14)，可得定子与转子电流

为

3)

4

3PAs

43)))-2LQ

3)7=

(15)

.4空

1N"3p)!m

式中：下标d、g分别为J轴与i轴；s、丫分别

为定子与转子;$1为定子磁场同步角速度;!m为

互感;〃m为定子电压矢量幅值。

风速变化时，为了提高DFIG电流响应的速

度,设计电流内环控制，4。其中，上标

*为参数的目标值。由给定风速得到DFIG的

转子转速目标值$**

。电流内环中,给定转速信号

$**和实际转速$信号作为输入信号,PI调节器

输出电磁转矩目标值@**。

图4基于电流内环与ADRC转速外环MPPT控制原理

电流

•目标

值

计算

大

能

获

最

风

攜

2.3基于电流内环与ADRC转速外环最大功率

追踪控制设计

根据以上，以给定转速$**和实际转速

$作为输入信号，电磁转矩目标值@作为输出

信号，设计ADRC转速外环控制器(见4)。@

无功功率目标值K*与定子磁链值目蘑菇炖鸡 标值

)**，经电流计块、控制电压计块、坐标系

转换,最终输出电压控制量$*、$*,经过空间矢

量脉宽调制(SVPWM),控制开关器件IGBTO在

风速变化时,DFIG电流与转速均能快速响应,实

现最大功率)10*。

3仿真验证

仿真参数设置如下〔3*:风轮半径L二15m,

$>Z5二10,$#Z20,+

Z0.2,额定风速二

12m/s，切入风速7nZ4m/s，切出风速％tZ

24m/s,空气密度p=1.25Wg/m3，齿轮箱传动比

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n

=28,CP二0.5,Jz=3.2x105kg・m2

o

发电机参数设置如下:U_二220V,p=3,n_二

1500r/min,Ls=0.451",Lo=0.422",Ls二

6.251mH,Lo二5.632H,ppt教程网 Lm二6.726mH,P_二

20kW,7gz3.5x105kg・m2

5,为了平稳风条件下系统的

最大功率输出控制性能，风速7为额定风速

12m/s,在0.6s时突变为14m/s时，入随着风速

增大下降,Cp基在0.5o2

，当风速额定风速时，^。

。，心$7,

Cpmac$0.48,01中#二0。特,性中最大风能

系数与最佳叶尖速比的值基本相同。

图5风速变化时"与Cp变化曲线

风力发电系统风速、性的特性,

传统PI控制方法时，系统动态反应阶段幅值

波动较大，调节时间。图6了PID控制

与ADRC2种控制方式下风速变化时风电机组输

出功率波形。风速在24s时由最初的

10m/s变为额定转速12m/s。

由式(2)计算可得沙二10m/s时,P$18kW；

图6功率响应曲线追踪情况

712m/s时,P$20kWo

6,在风速时，2种控制方式下

DFIG输出功率Preei均能设定功率Pt的「

而，但ADRC控制下的功率

更小的超调量，调节时间更短，性能PID

控制,了ADRC控制方式下最大功率的

性。

7所示，随机风在0〜20s风速平均值约

为11m/s,QV7N，此时最大限度打开，桨

为零，按最功率行最大功率，输出即

时风速下的最大功率，Cp基本保持在约0.45。

20s以后,77_,通过风力机的转速进行

控制，输出恒定功率约20kWo图7ADRC

控制器机风的，仍然能取的抗

4结语

本文设计了MPPT控制ADRC转速外环与电

流内环控制，得出以下：

(1)了PI电流内环与ADRC转速外环

控制器,DFIG电流与转速能快速追踪风速变化,

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新能源发电与局域电网IEMCA

捕获最大风能，进行MPPT追踪。

(2)研究，ADRC抗扰性能强

的特性，能够实现风力发电系统最大功率输出的

目标。且ESO能够实时系统的风速扰动进

行实时估计并及时进行主动补偿

，使系统

性能更好。

，与传统PID控制方，

ADRC具有更好的转速性能，更的超调量，

更快的速度。

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