风力发电系统功率解耦的控制方案
张长志 周连升 贺欣 曹晓男 王建军 林琳
摘 要： 针对风力发电系统功率解耦控制存在时滞误差的问题，提出基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦控制方法，构建风力发电系统控制输入输出的参量模型，以及控制目标函数。采用LM?Smith算法进行参量的全局最优解计算，以最优解为训练向量进行时滞补偿和功率解耦控制，实现控制误差修正。仿真结果表明，采用该方法控制风力发电系统，功率的解耦性较好，提高了输出功率增益，在较大的负载范围内能有效实现稳定的电压输出。
关键词： 风力发电系统； 功率解耦； LM?Smith算法； 时滞补偿
中图分类号： TN710?34； TP724 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0183?04
Abstract： Since the power decoupling control of the wind power generation system has the problem of time delay error， a wind power generation system′s power decoupling control method based on LM?Smith time delay compensation and error correction is put forward. The input and output parameter model controlled by the wind power generation system and control objective function were constructed. The LM?Smith algorithm is used to calculate the global optimal solution of the parameter， which is taken as the training vector to compensate the time delay and control the power decoupling， so as to correct the control error. The simulation results show that the method used to control the wind power generation system has better power decoupling， can increase the output power gain， and output the stable voltage in a large load range.
Keywords： wind power generation system； power decoupling； LM?Smith algorithm； time delay compensation
0 引 言
随着绿色能源工程的启动，采用风力发电成为未来电路发展的一个重要方向。风力发电系统作为一种常用的电机系统，利用稀土等永磁材料借助风力做功实现磁力线切割，输出电能。风力发电系统利用电磁场感应特性输出功率，在功率输出中具有较大的耦合性，需要进行功率解耦控制，以提高风力发电系统的输出功率增益。通过对功率解耦的优化控制设计，提高风力发电系统的稳定性和可靠性，研究风力发电系统的功率解耦控制方法在进行电机设计中具有重要意义[1?2]。
针对风力发电系统功率解耦控制存在时滞误差的问题，提出基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦控制方法，结果表明，本文方案的功率解耦性好，提高了输出功率增益。
1 风力电机的约束参量模型
1.1 风力发电系统功率解耦控制的等效电路
为了实现对风力发电系统的功率解耦的优化控制，首先需要构建风力发电系统功率解耦的等效电路结构模型，风力发电系统的功率解耦控制模型主要由电子元整流和滤波器件构成，采用永磁线圈形成线圈序列，在功率耦合下感应电能，传输存在涡流损失，使用等效电路法分析风力发电系统的电能传输模型，如图1所示。
风力发电系统的电压增益主要由负载、频率决定。在功率扰动下存在漏感和励磁电感，采用“T”型等效电路设计风力发电系统功率解耦控制电路[3]，得到等效电路如图2所示。
在存在轴向偏移的情况下，根据图2所示的等效电路模型，分析风力发电系统的功率解耦控制约束参量模型，得到控制目标函数为：
在风力发电系统中，影响到系统控制的功率因数包含：电磁耦合器漏感初级侧、次级侧自感和互感。当系统在谐振点附近工作，[L11，][L22]为风力发电系统的初级侧和次级侧绕组的自感，[M]为高频交流电传送的互感。[v1，][v2]为初级侧和次级侧电压，[Ψ1]和[Ψ2]为整流二极管输入初级侧和次级侧的磁链。直流电源经高频逆变，得到风力发电机上的输出功率耦合系数为：
分析上述结果得知，采用本文方法进行功率解耦控制，在较大负载范围内具有较好的功率解耦控制性能，输出功率增益较大，偏芯100 mm时，风力发电系统的功率增益仍稳定在5.8%，实验中电机的电能输出效率在偏芯情况下仍保持90%左右。在较大负载范围内可输出稳定的电压，电机控制过程的收敛性较高，具有较好的应用价值。
4 结 语
为了提高风力发电系统的输出增益，解决电机在功率解耦控制的时滞误差问题，本文提出一种基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦的控制方法，构建风力发电系统控制输入输出的参量模型，进行控制目标函数构建。采用LM?Smith算法进行参量的全局最优解计算，以最优解为训练向量进行时滞补偿和功率解耦控制，实现控制误差修正。实验发现，采用本文方案进行风力发电系统控制，功率的解耦性较好，提高了输出功率增益，稳定性较好。
参考文献
[1] 张丽香，陈凤兰.自适应Smith预估补偿的过热汽温控制系统[J].信息与控制，2015，44（5）：513?518.
[2] 王永旭，温渤婴.高压直流输电交流滤波器与交流系统最大并联阻抗的分析与计算[J].中国电机工程学报，2015，35（11）：2703?2710.
[3] 甄建军，张毅，胡光波.基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J].电气自动化，2014，36（2）：78?80.
[4] 刘刚，肖烨然，孙庆文.基于改进反电势积分的永磁同步电机位置检测[J].电机与控制学报，2016，20（2）：36?42.
[5] 张冀，徐科军.自动生成转速参考曲线的电动执行器定位方法[J].电子测量与仪器学报， 2014，28（11）：1222?1234.
[6] 郭静波，谭博，蔡雄.基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测[J].仪器仪表学报，2015，36（8）：1682?1691.
[7] 任章鳌，于克训，娄振袖，等.同性极感应子发电机整流容性负载特性的一种简化平均值分析方法[J].电工技术学报，2011，26（6）：113?120.
摘 要： 针对风力发电系统功率解耦控制存在时滞误差的问题，提出基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦控制方法，构建风力发电系统控制输入输出的参量模型，以及控制目标函数。采用LM?Smith算法进行参量的全局最优解计算，以最优解为训练向量进行时滞补偿和功率解耦控制，实现控制误差修正。仿真结果表明，采用该方法控制风力发电系统，功率的解耦性较好，提高了输出功率增益，在较大的负载范围内能有效实现稳定的电压输出。
关键词： 风力发电系统； 功率解耦； LM?Smith算法； 时滞补偿
中图分类号： TN710?34； TP724 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0183?04
Abstract： Since the power decoupling control of the wind power generation system has the problem of time delay error， a wind power generation system′s power decoupling control method based on LM?Smith time delay compensation and error correction is put forward. The input and output parameter model controlled by the wind power generation system and control objective function were constructed. The LM?Smith algorithm is used to calculate the global optimal solution of the parameter， which is taken as the training vector to compensate the time delay and control the power decoupling， so as to correct the control error. The simulation results show that the method used to control the wind power generation system has better power decoupling， can increase the output power gain， and output the stable voltage in a large load range.
Keywords： wind power generation system； power decoupling； LM?Smith algorithm； time delay compensation
0 引 言
随着绿色能源工程的启动，采用风力发电成为未来电路发展的一个重要方向。风力发电系统作为一种常用的电机系统，利用稀土等永磁材料借助风力做功实现磁力线切割，输出电能。风力发电系统利用电磁场感应特性输出功率，在功率输出中具有较大的耦合性，需要进行功率解耦控制，以提高风力发电系统的输出功率增益。通过对功率解耦的优化控制设计，提高风力发电系统的稳定性和可靠性，研究风力发电系统的功率解耦控制方法在进行电机设计中具有重要意义[1?2]。
针对风力发电系统功率解耦控制存在时滞误差的问题，提出基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦控制方法，结果表明，本文方案的功率解耦性好，提高了输出功率增益。
1 风力电机的约束参量模型
1.1 风力发电系统功率解耦控制的等效电路
为了实现对风力发电系统的功率解耦的优化控制，首先需要构建风力发电系统功率解耦的等效电路结构模型，风力发电系统的功率解耦控制模型主要由电子元整流和滤波器件构成，采用永磁线圈形成线圈序列，在功率耦合下感应电能，传输存在涡流损失，使用等效电路法分析风力发电系统的电能传输模型，如图1所示。
风力发电系统的电压增益主要由负载、频率决定。在功率扰动下存在漏感和励磁电感，采用“T”型等效电路设计风力发电系统功率解耦控制电路[3]，得到等效电路如图2所示。
在存在轴向偏移的情况下，根据图2所示的等效电路模型，分析风力发电系统的功率解耦控制约束参量模型，得到控制目标函数为：
在风力发电系统中，影响到系统控制的功率因数包含：电磁耦合器漏感初级侧、次级侧自感和互感。当系统在谐振点附近工作，[L11，][L22]为风力发电系统的初级侧和次级侧绕组的自感，[M]为高频交流电传送的互感。[v1，][v2]为初级侧和次级侧电压，[Ψ1]和[Ψ2]为整流二极管输入初级侧和次级侧的磁链。直流电源经高频逆变，得到风力发电机上的输出功率耦合系数为：
分析上述结果得知，采用本文方法进行功率解耦控制，在较大负载范围内具有较好的功率解耦控制性能，输出功率增益较大，偏芯100 mm时，风力发电系统的功率增益仍稳定在5.8%，实验中电机的电能输出效率在偏芯情况下仍保持90%左右。在较大负载范围内可输出稳定的电压，电机控制过程的收敛性较高，具有较好的应用价值。
4 结 语
为了提高风力发电系统的输出增益，解决电机在功率解耦控制的时滞误差问题，本文提出一种基于LM?Smith时滞补偿和误差修正的风力发电系统功率解耦的控制方法，构建风力发电系统控制输入输出的参量模型，进行控制目标函数构建。采用LM?Smith算法进行参量的全局最优解计算，以最优解为训练向量进行时滞补偿和功率解耦控制，实现控制误差修正。实验发现，采用本文方案进行风力发电系统控制，功率的解耦性较好，提高了输出功率增益，稳定性较好。
参考文献
[1] 张丽香，陈凤兰.自适应Smith预估补偿的过热汽温控制系统[J].信息与控制，2015，44（5）：513?518.
[2] 王永旭，温渤婴.高压直流输电交流滤波器与交流系统最大并联阻抗的分析与计算[J].中国电机工程学报，2015，35（11）：2703?2710.
[3] 甄建军，张毅，胡光波.基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J].电气自动化，2014，36（2）：78?80.
[4] 刘刚，肖烨然，孙庆文.基于改进反电势积分的永磁同步电机位置检测[J].电机与控制学报，2016，20（2）：36?42.
[5] 张冀，徐科军.自动生成转速参考曲线的电动执行器定位方法[J].电子测量与仪器学报， 2014，28（11）：1222?1234.
[6] 郭静波，谭博，蔡雄.基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测[J].仪器仪表学报，2015，36（8）：1682?1691.
[7] 任章鳌，于克训，娄振袖，等.同性极感应子发电机整流容性负载特性的一种简化平均值分析方法[J].电工技术学报，2011，26（6）：113?120.
