风电变桨电机参数对控制系统影响分析及改进辨识方法

来源：核心期刊咨询网时间：2019-10-31 10:1412

摘要：摘 要：针对风电机组变桨电机参数变化和负载不确定等带来变桨控制系统鲁棒性差的问题，分析变桨电机参数对控制系统的影响并提出参数辨识改进方法。首先，基于变桨电机控制系统中的复合磁链估算模型，针对不同参数的变化对磁链估算影响不同的问题，利用频率响

　　摘 要：针对风电机组变桨电机参数变化和负载不确定等带来变桨控制系统鲁棒性差的问题，分析变桨电机参数对控制系统的影响并提出参数辨识改进方法。首先，基于变桨电机控制系统中的复合磁链估算模型，针对不同参数的变化对磁链估算影响不同的问题，利用频率响应函数法(FRF)进行定量分析，获取影响较大的参数。其次，基于模型参考自适应辨识方法(MRAS)，将辨识初始值作为补偿项，以克服电机转速和负载转矩变化对辨识结果的影响，建立转子时间常数Tr的在线辨识改进模型，提出考虑参数辨识的风电机组变桨控制策略。最后，对风电机组变桨电机及其控制系統进行动态仿真和样机实验。结果表明，Tr对变桨电机控制系统的影响较为明显，考虑在线辨识后的改进模型及控制策略具有更好的鲁棒性。

　　关键词：风力发电;变桨电机;矢量控制;参数辨识;模型参考自适应

　　推荐阅读：《机电一体化》(月刊)创刊于1995年，由上海图书馆、上海科技情报研究所主管，上海科学技术文献出版社主办，中国电工技术学会机电一体化专业委员会协办。

　　0 引 言

　　近年来，变桨距风力发电机组由于能够有效利用风能并减少风力冲击，提高系统运行的可靠性，已成为目前的主流机型[1-3]。电动变桨系统可采用直流、永磁同步、感应电机等实现驱动，其中直流电机由于换向器、电刷等结构带来的低可靠性限制了其应用[4];永磁同步电机具有体积小、效率高、调速性能好等优点，但其成本高，且高温振动条件下永磁体存在退磁风险，可靠性较差;而三相感应电机因具有成本低、结构简单可靠、转矩大等优点[5]，目前仍然广泛应用于风电机组的变桨驱动中[6]。

　　然而，风湍流、风剪切、塔影效应、偏航偏差等因素会使风电机组的叶轮产生不均衡载荷[7]，且变桨系统在轮毂中随着叶片的旋转而工作[8]，势必会导致变桨电机负载转矩的不确定性，此外，变桨电机在运行过程中由于内部温度变化和磁路饱和等因素的影响，参数也存在不确定性。转矩和参数的不确定性将直接影响风电机组变桨控制的鲁棒性。因此，研究变桨电机参数辨识，寻求适应变桨电机参数变化和负载转矩不确定性的变桨控制策略对提高风电机组运行可靠性和稳定性具有重要的现实意义。

　　针对系统参数变化以及风速随机性等导致风电变桨控制系统鲁棒性差的问题，国内外学者提出了较多的控制策略[9-11]。文献[10]基于滑模控制理论，提出一种降低风电机组载荷的多目标变桨距控制策略，可有效地抑制机械振动并对风电机组动力学模型的参数变化具有较好的鲁棒性。文献[11]提出了一种基于模糊逻辑的变桨控制策略并与PID控制方法进行对比，结果表明模糊逻辑控制可以适应变桨系统的非线性，使得风电机组的输出功率保持平稳。

　　然而，从现有文献对变桨距风电机组控制策略的研究来看，很少考虑到变桨电机参数变化对其控制性能的影响。针对感应电机转子磁场定向矢量控制中参数变化的问题，已有众多的辨识方法，其中模型参考自适应控制(model reference adaptive system，MRAS)因其易于实现、稳定可靠而得到了广泛地应用[12-15]。

　　文献[12]证明了基于无功功率的转子电阻与转速MRAS在线辨识模型的稳定性，并建立了小信号模型分析定、转子电阻对磁场定向的敏感性，但是未涉及如转子时间常数等其他参数，也没有考虑负载转矩波动对辨识准确性的影响。文献[14]利用Popov超稳定性理论，分析了基于无功功率的MRAS转子时间常数在线辨识方法的稳定性，并研究了该辨识方法对所涉及电机参数的敏感性，但没有考虑到电机转速和负载转矩变化对辨识准确性的影响。因此，现有文献涉及的参数辨识方法是否适用于变桨电机的运行工况，还有待进一步研究，此外，也缺乏针对变桨电机参数辨识与变桨控制相结合的鲁棒控制策略的研究。

　　基于此，考虑风电变桨电机参数变化和负载不确定性的影响，本文提出一种适应变桨电机运行工况的参数辨识改进方法及相应的变桨控制策略。首先，利用频率响应函数法定量分析变桨电机不同参数的变化对控制系统中复合磁链估算的影响，获取影响较为明显的转子时间常数Tr。其次，基于模型参考自适应方法，考虑电机转速和负载转矩变化的情况，以辨识初始值作为补偿项，建立Tr在线辨识的改进模型并提出考虑参数辨识的风电机组变桨控制策略。最后，对变桨电机控制系统进行动态仿真和样机实验，验证改进模型和控制策略的有效性。

　　1 变桨电机参数变化对磁链估算的影响

　　1.1 变桨电机控制系统简介

　　以感应电机为例的风电变桨控制系统如图1所示，其中控制环包括位置环、速度环、磁链环和电流环，脉冲占空比通过空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)计算得到，图中符号的下标ref代表各物理量的参考值，d、q分别表示dq坐标系下的分量，α、β为αβ坐标系下的分量。符号γ表示桨距角，ωr为转子的电角速度，|ψr |、θ分别为转子磁链的幅值与相位，is、us分别为定子电流、电压，Ta、Tb、Tc分别为逆变器abc相上桥臂开关器件的占空比，Vdc为直流母线电压。

　　由图1可知，磁链估算模块输出的|ψr|用于反馈跟踪，θ用于坐标变换，因此磁链估算的准确性对矢量控制尤为重要。本文采用文献[16]提出的磁链估算方法，利用电流模型与电压模型所估算的磁链之差生成补偿项，以保证在宽调速范围内转子磁链的估算精度。图1中磁链估算模块的原理框图如图2所示，其中上标i和v分别表示电流模型和电压模型中的物理量，|ψs|为定子磁链的幅值，ucom_αs、ucom_βs分别为生成的定子补偿电压在αβ坐标系下的分量，Rs为定子电阻。

　　由式(5)可知，Lm仅对磁链的幅值产生影响，且不随ωs变化，仅与Lm变化的比值成正比;而Tr对幅值和相位均有影响，并与ωs有关。

　　频率响应函数可以直观地表征系统在给定频率下的稳态输出与输入的幅值和相位关系，适合于分析参数变化对磁链估算的影响，文献[17]也利用此方法对磁链观测器的参数灵敏度做出了分析，但仅仅考虑了参数变为1.5倍之后的影响。为了定量分析单一参数变化与磁链估算的关系，获取影响较大的参数，将Tr和Lm的实际值分别变为估算值的2～5倍，则实际磁链的幅值、相位与观测值之差关于参数的变化倍数、转差率s的关系如图3所示，其中转差率s=ωs/ωe。

　　由图3可知，在参数变化相同倍数的情况下，当s>0.1时，Tr对幅值的影响与Lm相当，s在0.01附近时Tr对相位的影响最大。由于在达到给定桨距角之前，变桨电机会在高速状态下运行，s一般在0.02左右;而达到桨距角之后，为了平衡负载转矩，s为1。由此可见，就变桨电机运行工况而言，转差率一般在0.02～1的范围内，即高速低速状态均会出现，且大部分为低速运行的工况，因此Tr对电流模型所观测出的磁链影响较为明显。

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