苏ICP备112451047180号-6
为了减少变速器中的最大功率点，采用滑模控制策略，通过减小机电转矩的变化，进行了本研究。在该策略中，首先，将转子速度设置为在不同风速下的最佳点。其结果是，叶尖速比达到最佳点，机械功率系数最大化，风力发电机产生最大功率和机械扭矩。然后，利用机电转矩跟踪最大机械扭矩。在该技术中，使用最大机械转矩的跟踪误差积分、误差和误差导数作为状态变量。在风速变化过程中，滑模控制被设计为从风中吸收最大能量并最小化最大功率点跟踪（MPPT）的响应时间。在该方法中，实际控制输入信号由原始滑模控制输入信号的二阶积分运算形成。该模型中的二阶积分的结果包括控制信号完整性、全抖振衰减和防止发电机输出中的大波动。利用Matlab软件计算的仿真结果表明了所提出的基于永磁同步发电机（PMSG）的风能系统控制策略的有效性。
指数条款-最大功率点跟踪，永磁同步发电机（PMSG），滑模控制，风力涡轮机。
1. 简介
目前，由于化石燃料资源的减少和污染的增加，存在着增加可再生能源（非化石资源）产生电力的意愿。在这方面，介绍了各种可再生资源，如风能、太阳能、地热能等。在目前的情况下，风能具有最高的意义。
提出了一种利用风轮机产生电能的概念，提出了不同的模型，即，仍在发展中，且变得更复杂。在新技术中，我们使用了新的方法，从而产生了具有更好质量的电。风力发电装置中采用的涡轮机分别为两组：固定速度和变转速。
在第1组中，γ发生器的速度ε通过机械设备保持几乎不变，并且在这里不存在电子控制。在这样的涡轮机中，产生最大功率的可能性只有当风在一定的速度下发生时。这样的涡轮机使它们变得缓慢并降低其寿命。
第二组包括可变速度的风力涡轮机。它们具有显著的优点，包括吸收最大功率点，允许风速变化，效率提高，机械应力减小，功率波动减小。在这种系统中，A永磁同步发电机（PMSG）由于齿轮箱的去除、效率高、尺寸小、可用性强，在不同的风速下更经常使用。变速风轮机系统是一个非线性系统，其参数通常是不确定的。在阶数增加到最大功率点跟踪的精度时，需要先进的控制策略。不同的控制技术，如模糊逻辑控制器（FLC）[1][2]、自适应控制（AC）[3][4]、粒子群优化（PSO）[5][6]、英特尔快速存储技术（RST）控制[7]、TIP速速比（TSR）[8]、滑动模型控制（SMC）[9][10]等，都在极大值中得到应用。功率点跟踪（MPPT）控制。其中，滑模控制方法由于其高抗逆参数的变化而受到较多的关注。在目前的研究中，提出了在变转速风轮机系统中实现滑模控制的MPPT。在这一策略中，首先，在不同风速下，将转子速度设为“最佳”点，即“尖端速度比”达到“最佳”点和幂系数最大值，即在最大功率和机械扭矩中的结果。该控制器的目的是通过电磁转矩来改变允许风速中的最大机械扭矩。在一阶到设计中，所提出的控制器，即最大机械扭矩的跟踪误差，即误差的导数和误差，作为状态变量，当跟踪误差趋于零时，MPPT完全被输出。滑模控制方法的弱点是不连续控制规则产生的颤振现象。在本研究中，在现有的研究中，从原滑动模式控制输入信号的第二阶积分运算中得到了实际的控制输入信号，这导致了控制信号的完全连续性，并完成了抖振现象的消除。
为了检验滑动模控制策略的效率，将所提出的控制器与经典的比例积分（PI）控制器进行了比较，并给出了对PMSG配备的风轮机的仿真结果。
2. 系统模型与问题陈述
2.1 空气动力模型
风力涡轮机是一种具有多个叶片的系统，通过该叶片获得风能并转换成机械能。使用以下方程计算从风力涡轮机接收的机械功率。
P m =πρC p(λ,β) R 2V 3/2 （1）
其中，ρ是空气密度，C p(λ,β)是风能利用系数，R是风机叶片半径，v是风速，λ是叶尖速比，β是叶片的桨距角。功率系数是a和b的函数，由
C p(λ,β) =C1[C2/λ1-C3β-C4]e-C5/λ1+C6λ （2）
1/λ1=1/(λ+0.08β)-0.035/(1+β3) （3）
其中C1到C6是机械功率系数的参数，其值在表1中给出。
表1：滑模控制模型参数与风机参数的关系
|
风力发电机与PMSG 参数 |
空气密度 | 转动惯量 |
风机叶片 半径 |
摩擦系数 |
发电机 极对数 |
励磁磁场 磁通量 |
|
功率系数参 |
1.225 kg/m 3 | 30 kg.m 2 | 4.14 m | 1.6 N.m.s/rad | 8 | 0.5 wb |
| 数控制器参 | C 1 =0.5176 | C 2 =116 | C 3 =0.4 | C 4 =5 | C 5 =21 | C 6 =0.0068 |
| 数不确定性 | a 1 =4 | a 2 =2 | a 3 =0.5 | - | - | - |
| α=4 | γ=5 | - | - | - |
λ=Rω/V （4）
其中ω是风力涡轮机转子的角速度。
通过组合（1）和（4），计算了风力发电机中产生的机械转矩:
T m=P m/ω=P mR/λV=πρCp（λ,β）R 3 V 2/2λ （5）
2.2 永磁同步发电机模型
转子参考系统中的电压和发电机转矩方程如下
（6）
（7）
（8）在（6）-（8）之间，iq和id为定子电流分量，uq和uq为机械端电压分量，Rs为欧姆定子电阻，Ld和Lq为定子电感电感元件，nP为发电机极数，ψf为励磁磁场通量，Te为发电机的电磁转矩。在永磁同步发电机中，Ld和Lq定子电感的分量可以被认为是相等的（Ld和Lq）。因此，“电磁转矩”的定义如下：
（9）2.3 力学模型的风力发电机
根据以下方程计算风力机运动的力学方程：
（10）其中，j为系统的惯性矩，Tm为机械扭矩，To为空载力矩且等于下式：
TO=Bω （10）
其中B是摩擦系数。
3. 问题描述
根据式（1），功率系数C p(λ,β)是风力发电机实现最大功率点的最重要的参数，当CP最大时，涡轮的最大机械功率发生。给定β的常数值，该CP的最佳量是以一定的叶尖速度比发生的。指出了叶尖速比的最佳值。
对于某型风力发电机组,Cpmax和λopt是常数值(Cpmax =0.48 ，λopt =8.1)。通过将λopt带入（2），可以得到Cpmax的常数值：
Cp（λopt,βopt）=Cp（λopt,0)=Cpmax （12）
对于一定的风速，则有一个最佳的转子转速，使功率最大化。这一最佳速度与λopt值有关
（13）
图1 Cp（λ）曲线
因此，如果风速是一个被考虑的常数，则Cp（λ）的值只取决于涡轮机转子的速度。因此，对于风速的变化，可以通过保持转子的速度为最佳值，从风力机获得最大的机械功率。
图2 风力发电机的功率-速度曲线
利用滑模控制策略，将风机转子转速设定为所有不同风速值的最优点。根据（12）-（13），叶尖速比和机械功率系数随风速的变化最大化和保持不变。 由（12）-（13）和（1）-（5）得到了风轮机的最大机械功率和最大机械扭矩：
（14）
（15）其中，Kopt 是用下列方程计算最大幂系数的函数：
（16）不同的滑模控制策略，包括最大转矩控制，快速终端，直接转矩，极值搜索通常用于最大功率点跟踪。风力机系统的最大转矩控制是大惯量的，因为它对机电系统的影响很小，在空载状态下测量转矩是很容易的。因此，最大转矩控制策略在实践中被广泛地考虑。
MPPT方法通常应用于风速小于标称水平时。在这种情况下，俯仰角被认为是常数值。在风速大于额定值的风中，利用桨距角系统控制PMSG的输出功率。通过电磁转矩的最大机械转矩跟踪是风力机中达到最大功率点的转矩控制的一般规则，为了设计该控制器，使用了式（10）中的风力发电机运动的力学方程。
4. 滑模控制设计
在本研究中，为了实现MPPT，在两个阶段中设计了滑动模控制。第一阶段包括设计一个辅助控制器，通过该控制器跟踪转子的最佳速度。根据（13），将TSR设为最优点，幂系数最大，得到最大机械力矩。第二阶段包括设计主要的SMC，通过电磁转矩来跟踪最大机械扭矩，并且误差趋于零。
4.1 辅助滑模控制器的设计
这一节的目的是通过对不同风速值跟踪转子的最优转速来设计一个辅助控制器。结果表明，TSR达到了最优值，机械功率系数最大，而这些值与风速的变化保持一致。利用最大的机械功率系数，可以得到风力机的最大机械功率和转矩。