论文部分内容阅读
摘要：在能源短缺及环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，越来越受到世界各国重视及开发。发电机是风力发电机组将风能转化为电能的重要设备，直接影响输出电能的质量及效率。
关键词：风力发电机;优化设计;稳定性验证
一、风力发电机
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。其由风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机工作原理较简单，风轮在风力作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴带动下旋转发电。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
二、控制器的优化设计及稳定性验证
1、控制器参数优化设计。选取低、中、高三组风速（6、9、12m/s），绘制不同风速下各超调量与控制器参数关系变化关系曲线。根据曲线选择控制器最优设计参数值或范围，其中时间常数为1s，风电系统其他参数为：在风力机中，叶片半径35m，空气密度1.225kg/m3，最佳叶尖速比8.1，桨距角最大风能利用系数0.48，额定风速12m/s，额定功率2MW;在永磁同步发电机中，定子电阻0.01Ω，电感0.835mH，转动惯量128500 kg·m2，永磁磁链8.76Wb，极对数32。
1）基于改进MPPT控制的参数设计。当满足降阶条件时，超调量与控制器参数间关系如图2所示，LPF的时间常数为1s。当PI控制器积分系数Kiω减小时，带宽减小，输出功率GP/V（jω）、转速Gω/V（jω）、转矩GT/V（jω）超调量有不同变化趋势。基本上，GP/V（jω）、Gω/V（jω）超调值会增加，而GT/V（jω）则会减少。因此，当需要更平滑的输出功率时，需要更窄的带宽，但同时会引入更大转速变化。
从图1中超调量关系曲线可看出，在控制器参数处于最佳值范围下，Kiω约1100，此时获得了较小GP/V（s）带宽，并保证了较小的转矩谐振（振幅不超过1.03 p.u.），但仍满足风力机稳定运行的约束条件。位于Kiω=1100左侧区风力机不稳定，速度超调量Mω>1;右侧区稳定，但转矩谐振振幅随Kiω增大而增大，因此Kiω过大也不是理想的控制器参数值。所以在过优设计、优化设计和欠优设计区间选择三组参数，过优设计Kiω和 （PI控制器比例系数）为200;优化设计Kiω和为1100;欠优设计Kiω和为4000。
2）基于功率反馈控制的参数设计。在减载率为20%功率反馈控制下，在控制器与Kiω倍数T=1。此外，由于传递函数表达式中与变化参数相关的变量R中ωm0k1值较大，因此当值稍大时，KiωR值约为1，且各传递函数振幅波动变化小。因此，当Kiω变化时，GP/V（jω）、Gω/V（jω）、GT/V（jω）超调值几乎保持不变。所以在当前系统参数取值下，无论控制器参数如何取值，所有风力机都在稳定范围内运行，且具有较小的GP/V（jω）带宽及转矩振荡。
2、基于设计参数的稳定性验证
1）变控制器参数的根轨迹。当风速为6、9和12m/s，Kiω在1000～4000范围内变化时，根轨迹位于坐标系左半平面，即所有特征根的实部均为负。因此，当控制器参数在该值范围内时，风力机电机组是稳定的，即在优化设计区间和欠优设计区间选择的控制器参数满足稳定运行条件。另外，当风速为6、9和12m/s，Kiω在1～1000范围内变化时，特征根位于坐标系左半平面。所以当控制器参数在该值范围内时，风力机是稳定的。
2）基于控制器参数的Nyquist曲线和Bode图。根据自动控制原理中的Nyquist稳定判据，反馈控制系统稳定的充要条件是Nyquist曲线逆时针包围（-1，j0）点的次数等于系统开环右极点个数。另外，在不同控制器参数下，即对数幅频特性和对数相频特性曲线下，通过Nyquist曲线及Bode图驗证两种控制下风力机运行的稳定性和优化设计参数的合理性。
在欠优设计、优化设计下，Gω/V（s）无谐振，满足Nyquist稳定判据，但欠优设计下GP/V（s）带宽高于优化设计，欠优设计下GT/V（s）中存在一些小谐振。在过优设计中，虽然GT/V（s）几乎无谐振，且GP/V（s）带宽小于优化设计，但其Gω/V（s）谐振较大。在优化设计下，GT/V（s）及Gω/V（s）几乎无谐振，GP/V（s）带宽很小。由此可见，风力机在优化和欠优设计参数下都能稳定运行，但控制系统在优化参数下的滤波效果优于欠优参数;在过优设计下，虽然控制系统具有良好的滤波效果，但风力机不能稳定运行。
在减载率20%功率反馈控制中，不同控制器参数下，各传递函数频率特性几乎相同。因此，仅考虑控制器参数Kiω=100的三个传递函数Nyquist曲线、对数幅频特性、对数相频特性曲线。在控制器参数下，GP/V（jω）、Gω/V（jω）、GT/V（jω）下几乎无谐振，满足Nyquist稳定性判据。
三、仿真验证
1、改进MPPT控制策略下的仿真
1）满足传递函数降阶条件时的仿真。基于改进MPPT控制策略，在其他仿真参数相同情况下，当Tmppt=1s、Kpω=TmpptKiω时，比较过优设计、优化设计和欠优设计三种不同控制器参数水平下的输出功率跟踪和平滑效果。控制器参数值为200、1100和4000。
在控制器参数过优设计中，虽然风电机能很好、快速地跟踪上最大功率点，并具有一定平滑效果，但当仿真时间约为12s时，风力机会失去稳定性。在优化设计控制器参数下，风电机能跟踪最大功率点，且随着仿真的进行风力机也不会失稳。同样，在欠优设计控制器参数下，风力机也能跟踪最大功率点，风力机不会失稳。但与优化设计参数结果相比，欠优设计下的平滑效果略差于前者，效率也略低。总体而言，优化设计参数的选择可保证风力机的稳定运行，实现更好的功率跟踪和平滑效果。
结束语;此外，在优化、欠优设计控制器参数下，实际转速值能更好地跟踪参考转速，优化设计下的跟踪效果更好;在过优设计下，实际转速波动大，当模拟时间约为12s时，实际转速从30r/min降至-30r/min，风力机失去稳定性。
参考文献
[1]高云波.风电机组输出功率平滑技术综述[J].电力系统自动化，2018（18）.
[2]王志聪.基于风力发电机典型控制策略的控制参数设计及稳定性验证[J].电力系统自动化，2021（17）.
关键词：风力发电机;优化设计;稳定性验证
一、风力发电机
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。其由风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机工作原理较简单，风轮在风力作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴带动下旋转发电。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
二、控制器的优化设计及稳定性验证
1、控制器参数优化设计。选取低、中、高三组风速（6、9、12m/s），绘制不同风速下各超调量与控制器参数关系变化关系曲线。根据曲线选择控制器最优设计参数值或范围，其中时间常数为1s，风电系统其他参数为：在风力机中，叶片半径35m，空气密度1.225kg/m3，最佳叶尖速比8.1，桨距角最大风能利用系数0.48，额定风速12m/s，额定功率2MW;在永磁同步发电机中，定子电阻0.01Ω，电感0.835mH，转动惯量128500 kg·m2，永磁磁链8.76Wb，极对数32。
1）基于改进MPPT控制的参数设计。当满足降阶条件时，超调量与控制器参数间关系如图2所示，LPF的时间常数为1s。当PI控制器积分系数Kiω减小时，带宽减小，输出功率GP/V（jω）、转速Gω/V（jω）、转矩GT/V（jω）超调量有不同变化趋势。基本上，GP/V（jω）、Gω/V（jω）超调值会增加，而GT/V（jω）则会减少。因此，当需要更平滑的输出功率时，需要更窄的带宽，但同时会引入更大转速变化。
从图1中超调量关系曲线可看出，在控制器参数处于最佳值范围下，Kiω约1100，此时获得了较小GP/V（s）带宽，并保证了较小的转矩谐振（振幅不超过1.03 p.u.），但仍满足风力机稳定运行的约束条件。位于Kiω=1100左侧区风力机不稳定，速度超调量Mω>1;右侧区稳定，但转矩谐振振幅随Kiω增大而增大，因此Kiω过大也不是理想的控制器参数值。所以在过优设计、优化设计和欠优设计区间选择三组参数，过优设计Kiω和 （PI控制器比例系数）为200;优化设计Kiω和为1100;欠优设计Kiω和为4000。
2）基于功率反馈控制的参数设计。在减载率为20%功率反馈控制下，在控制器与Kiω倍数T=1。此外，由于传递函数表达式中与变化参数相关的变量R中ωm0k1值较大，因此当值稍大时，KiωR值约为1，且各传递函数振幅波动变化小。因此，当Kiω变化时，GP/V（jω）、Gω/V（jω）、GT/V（jω）超调值几乎保持不变。所以在当前系统参数取值下，无论控制器参数如何取值，所有风力机都在稳定范围内运行，且具有较小的GP/V（jω）带宽及转矩振荡。
2、基于设计参数的稳定性验证
1）变控制器参数的根轨迹。当风速为6、9和12m/s，Kiω在1000～4000范围内变化时，根轨迹位于坐标系左半平面，即所有特征根的实部均为负。因此，当控制器参数在该值范围内时，风力机电机组是稳定的，即在优化设计区间和欠优设计区间选择的控制器参数满足稳定运行条件。另外，当风速为6、9和12m/s，Kiω在1～1000范围内变化时，特征根位于坐标系左半平面。所以当控制器参数在该值范围内时，风力机是稳定的。
2）基于控制器参数的Nyquist曲线和Bode图。根据自动控制原理中的Nyquist稳定判据，反馈控制系统稳定的充要条件是Nyquist曲线逆时针包围（-1，j0）点的次数等于系统开环右极点个数。另外，在不同控制器参数下，即对数幅频特性和对数相频特性曲线下，通过Nyquist曲线及Bode图驗证两种控制下风力机运行的稳定性和优化设计参数的合理性。
在欠优设计、优化设计下，Gω/V（s）无谐振，满足Nyquist稳定判据，但欠优设计下GP/V（s）带宽高于优化设计，欠优设计下GT/V（s）中存在一些小谐振。在过优设计中，虽然GT/V（s）几乎无谐振，且GP/V（s）带宽小于优化设计，但其Gω/V（s）谐振较大。在优化设计下，GT/V（s）及Gω/V（s）几乎无谐振，GP/V（s）带宽很小。由此可见，风力机在优化和欠优设计参数下都能稳定运行，但控制系统在优化参数下的滤波效果优于欠优参数;在过优设计下，虽然控制系统具有良好的滤波效果，但风力机不能稳定运行。
在减载率20%功率反馈控制中，不同控制器参数下，各传递函数频率特性几乎相同。因此，仅考虑控制器参数Kiω=100的三个传递函数Nyquist曲线、对数幅频特性、对数相频特性曲线。在控制器参数下，GP/V（jω）、Gω/V（jω）、GT/V（jω）下几乎无谐振，满足Nyquist稳定性判据。
三、仿真验证
1、改进MPPT控制策略下的仿真
1）满足传递函数降阶条件时的仿真。基于改进MPPT控制策略，在其他仿真参数相同情况下，当Tmppt=1s、Kpω=TmpptKiω时，比较过优设计、优化设计和欠优设计三种不同控制器参数水平下的输出功率跟踪和平滑效果。控制器参数值为200、1100和4000。
在控制器参数过优设计中，虽然风电机能很好、快速地跟踪上最大功率点，并具有一定平滑效果，但当仿真时间约为12s时，风力机会失去稳定性。在优化设计控制器参数下，风电机能跟踪最大功率点，且随着仿真的进行风力机也不会失稳。同样，在欠优设计控制器参数下，风力机也能跟踪最大功率点，风力机不会失稳。但与优化设计参数结果相比，欠优设计下的平滑效果略差于前者，效率也略低。总体而言，优化设计参数的选择可保证风力机的稳定运行，实现更好的功率跟踪和平滑效果。
结束语;此外，在优化、欠优设计控制器参数下，实际转速值能更好地跟踪参考转速，优化设计下的跟踪效果更好;在过优设计下，实际转速波动大，当模拟时间约为12s时，实际转速从30r/min降至-30r/min，风力机失去稳定性。
参考文献
[1]高云波.风电机组输出功率平滑技术综述[J].电力系统自动化，2018（18）.
[2]王志聪.基于风力发电机典型控制策略的控制参数设计及稳定性验证[J].电力系统自动化，2021（17）.