一种直驱永磁同步发电机功率平滑控制方法与流程

本发明涉及一种直驱永磁同步发电机，尤其涉及一种直驱永磁同步发电机功率平滑控制方法。

背景技术：

目前，大型变速恒频风力发电系统得到普遍应用和广泛研究。常见的变桨变速风力发电机控制策略是：在额定风速以下，保持风力机桨距角不变，通过改变电机转速使风力机运行在最佳叶尖速比下来实现最大风能跟踪控制；在额定风速以上，使转速维持在额定转速附近，通过调节桨距角使发电机组输出额定功率。由于风速具有不可预期和随机波动等特点，传统最大风能跟踪控制策略使风力发电机组在额定风速以下的输出功率随机波动。在某些应用场合，如独立的风力发电系统或电网结构相对薄弱，风电机组输出功率的波动可能会对电能质量产生较大的影响，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。因此，要求风力发电机组在额定风速以下也能进行功率调整，输出较为平滑的有功功率。

输出有功功率平滑控制是风力发电机组的关键技术之一。常用的方法如利用电力电子技术和储能元件抑制风力发电机组输出功率的波动，然而这种控制方法需增加新的硬件装置，提高了系统成本和控制难度；通过对发电机转速的控制，使风力发电机输出有功功率能较好地跟踪给定的功率曲线，但该控制方法使发电机转速波动较大，有时甚至会超过风机额定转速。在全风速范围内通过变桨距控制来平滑发电机输出有功功率的控制方案，但由于变桨距机构惯性很大，在风速变化较快时，仅通过变桨控制调节发电机输出的有功功率，很难达到理想效果。

技术实现要素：

为了克服发电机输出平滑的有功功率的难题，本发明提出一种直驱永磁同步发电机功率平滑控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出一种在全风速范围内同时采用变桨和变速控制来调整发电机输出有功功率的控制策略，即采用模糊变桨距控制限制发电机的转速运行范围，采用发电机转矩动态滑模控制实现发电机输出平滑的有功功率。

直驱永磁同步发电机功率平滑控制方法包括风力机模糊变桨距控制、转矩动态滑模控制、有功功率平滑控制。

所述风力机模糊变桨距控制通过调节风机桨距角限制风力发电机组的转速运行范围。

所述转矩动态滑模控制采用在切换函数中引入控制输入量的方法，有效降低了系统抖振。

所述有功功率平滑控制是利用风速平均值和标准方差来计算发电机有功功率的给定。

本发明的有益效果是：通过在全风速范围内结合变桨距和变速控制，可以有效抑制由于风速波动及其他不确定因素引起的直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动。对风力机采用模糊控制，在无需已知风力机精确数学模型的情况下，能有效限制风机的转速运行范围；对发电机采用动态滑模控制，使系统控制精度高、鲁棒性好。本发明提出的控制方法有利于提高并网永磁直驱风力发电机组输出的电能质量及电网的稳定性，该控制思想也可用于其他类型的风力发电机系统。

附图说明

图1模糊变桨距控制原理。

图2动态滑模控制器原理。

图3平滑功率给定切换逻辑。

图4有功功率平滑控制。

具体实施方案

当发电机采用恒功率控制时，要保证发电机稳定运行，发电机给定功率必须小于风机功率曲线的最大值，这使发电机组偏离最优转速运行。因此需要通过调节风机桨距角可以限制风力发电机组的转速运行范围。

图1中，模糊控制器输入为转速误差及其误差变化量，输出为桨距角变化量。采用Mamdani控制规则，每个输入变量被离散化为5档，共建立25条控制规则，进行模糊计算后，再通过重心法对输出信息进行精确化处理，得到桨距角的变化量。由于模糊控制器存在稳态误差，将控制器的输出与实际桨距角之和作为桨距角的给定，保证系统的控制精度和稳定性。

若已知电机转速，通过控制q轴电流分量就能控制电机的电磁转矩，进一步控制电机输出的有功功率，实现对发电系统输出有功功率的调节。滑模变结构控制具有无需系统在线辨识、对参数变化和扰动不灵敏、控制方法简单等优点，故设计一阶动态滑模控制器实现对发电机电磁转矩的控制。由于滑模变结构控制存在由控制量开关切换不连续性引起系统抖振的缺点，本发明采用在切换函数中引入控制输入量的方法，将不连续项转移到控制模型的1阶导数中，得到在时间上连续的动态滑模控制规律，有效降低了系统抖振。

当风机桨距角为0°，且保持最优尖速比运行时，功率系数达到最大值，风机能捕获最大风能为。为得到平滑的功率给定值，利用风速平均值和标准方差来计算发电机有功功率的给定文。本发明以风速平均值和标准方差之差代替实际风速，得出给定平滑功率。然后采用一个转速PI控制器得到发电机在失速运行时的有功功率给定值。

图3中，为保持发电机有功功率给定的连续性，2种给定功率在切换时应相等。当风速下降较快、风力机进入失速区时，有功功率给定值由切换为，初始值c为切换时刻与的差。当风速上升、与相等时，有功功率给定值由切换为。

综上，当风力发电机组在稳定区运行时，根据风速平均值及平均方差求取给定功率；当风速变化较快、风力发电机组进入失速区时，根据电机转速求取给定功率，使风力发电机组恢复到稳定区运行。通过平滑切换逻辑使2种给定功率在切换时相等，保证电机给定功率的连续性。采用动态滑模控制器实时调节发电机转矩给定值，再通过电机侧变换器电流内环矢量控制输出控制电压信号，使发电机输出功率跟踪给定平滑功率，同时采用模糊变桨距控制限制风机运行范围。

图4中，为发电机定子三相绕组相电流；为定子电流d轴分量给定值。