基于ACPI的风力发电系统MPPT控制方法分析

梁善伦

摘要：本文以风力发电为研究视角，结合直驱永磁发电时表现出参数不规律、转矩影响等多种问题，以PI控制程序为依据，以转速动态监控为方向，针对设备内部动态资料、外部转矩输入结果的不规律性，进行动态因素整合，定义为“总干扰量”，以此有效排除干扰因素。结合仿真发现：此种控制程序，可有效减少功率最大值的变动，阵风仿真中，以0.1s速度进行系统控制，极具控制优势。

关键词：发电;转速;控制程序

引言：在石油、天然气各类能源紧缺的情况下，加强能源开发与利用，逐渐成为重要研究课题。风能表现出环保性、成本经济性，逐渐受到各行业的高度重视。然而，风速信号传输时，具有传输的随机性、信号变化不规律等特点。

1 ACPI控制方法

在永磁发电机运行时，存在的系统问题有：参数不规律、转矩干扰。为解决功率最大数的动态跟进效果，以自耦PI技术为视角，研究出全新的控制方法。以“总干扰量”为前提，积极测定各类未知干扰成分，进行系统映射，构建出误差有效控制程序，确定速度因子为主要控制目标，进行控制模型的构建与研究。此种控制方法的使用优势：有效整合速度比例、积分等控制程序，确保各控制程序中的协调性，显著增强控制程序的增益能力，确保系统运行平稳性[1]。

2永磁发电控制程序

2.1 风力机模型

依据空气动力学思想，可利用风轮浆转动角度β（°）、环境密度p（kg/m3）、叶片风力作用半径R（m）、风速v（m/s）等因素，获取风能功率C、风力机能量转化功率P、风力叶片速比λ的参数。

2.2 C、λ、β三个参量的相互关系

（1）当风力叶片速比值λ固定时，风轮浆转动角度β值逐渐减少，此时风能功率参数C逐渐增大、（2）在风轮浆转动角度β值固定时，风力叶片速比值λ增加时，功率参数C呈现的抛物线表现出开口向下样式。因此，当β值固定时，会有一定λ节点，获取风能功率C的最大数，即抛物线峰值。加之β与C之间的参数关系具有反相关性，取β值为0，赋值λ等于8.1，此时风能功率最大数C为0.48，由此获取风机转动的角速度w=λ×v×R-1，P=TW，T表示风力设备运行时传出的转动力矩，则有T=1×2λ3pπR5w2C。

2.3 发电机的映射

依据发电设备的电压、电流、风机转动等参数、进行发电机模型建立。借助极对数、转动时产生的惯性常量、风机阻尼设计等因素，获取电子转动力矩，进行模型映射处理。以发电机旋转坐标的两个轴d、q为参考，统计两轴产生的干扰总量，确保映射处理的完整性，尝试对风机程序进行有效控制[2]。

3 ACPI系统设计

3.1 控制器设计

依据转速控制方法，获得q轴传输电流的目标指令i，以指令控制电流，确保轴线控制效果。在控制q轴时，d轴目标指令i赋值为0。设定风机最佳转动速度为w，由此获取转速动态跟进形成的累计误差，以误差结果建立“总干扰量”的控制程序。依据发电控制思想，使系统累计误差e无限趋近于0点坐标位置，可由此定义ACPI程序的控制流程，在定义时引入z速度因子，使其取值非负数，介于0与∞之间。ACPI控制框架构成后，风力设备能够高效转变风能，确保机械能的输出速度，以转矩方式在永磁发电设备中傳输机械能，在发电机作用下，促使电网接收电能。依据风速、风机叶片的风力作用半径，获取发电设备的最佳转速，由ACPI控制程序，以转速动态跟进为方向，给予外转、内电等控制方式，确保发电设备矢量参数的设计质量。

3.2 闭环控制

为保证ACPI控制程序的运行平稳性、干扰排除性，进行闭环控制设计。在设计时，以系统最大干扰为控制目标，以零误差为动态跟进目标，确保闭环控制效果。当误差z取值[0，∞]时，在实轴表面可获得一个二重极点s，此时误差z与转动速度控制程序并无较大关联，此时闭环控制系统具有较强的干扰排除能力。

3.3 速度因子控制方法

由各点误差z取值[0，∞]可知，ACPI在坐标轴各点的控制程序，均具有较大区域的干扰排除能力[3]。由此说明：各轴位置的误差值，拥有一定较大范围的镇定区间。结合转速控制程序，假设i指作为q轴的目标输出结果，为保证q轴输出电流与目标指令的跟进效果，应保障各点之间的速度因子满足相互条件。假设风力设备为m，永磁旋转的两轴为d、p，三个点误差对应速度因子存在的关系为：zq=zd=a×zm，其中，a为常数，取值[2，10]。

4仿真分析

在控制程序构建完成时，进行仿真分析，以MATLAB程序为主体，进行风力设备、永磁程序的部署，以ACPI控制为主要形式，以自抗扰方法为参照。

（1）参数设计。其一，风力机参数。桨转动角度β=0°，风力作用半径R=1.5米，标准功率=1500kW，风速初始值v=6m/s，环境密度p=1.22kg/m3，风力功率最大数C=0.47，叶轮转动速度比例λ=8.12。其二，永磁电机参数。阻尼参数B取值为8.25×105kg·m2/s，极对数k=4。其三，ACPI参数。误差zm=150，zq=zd600。

（2）仿真试验。模拟分析在阵风环境中的控制效果。阵风环境中风速参数无变化，风速最大幅值为2m/s。仿真结果为：ACPI控制程序，成功在0.1s时间内对转动速度进行动态捕获，并未发生超调、振荡等不利问题，证明此种控制效果极佳;自抗扰控制方法，在0.25s时给予控制干预，相比之下，ACPI控制更为快速、干扰捕获更为灵敏，运算量较小，以更快速的程序响应方式，进行系统控制，动态反馈用时较短，更适用于风力发电程序中。

结论：结合仿真试验发现：ACPI为视角构建的控制程序，具有更优异的控制效果，控制体系更具简化性，每组ACPI控制程序中仅含有单一速度因素;ACPI控制策略运行时，实际运算量不大，动态反馈结果速度快，更适用于实践研究中。

参考文献

[1]苏杰，曾喆昭.基于ACPI的风力发电系统MPPT控制方法[J].电力系统保护与控制，2021，49（18）：119-127.

[2]龙万利，黄筱叶.永磁直驱风力发电系统控制策略仿真研究[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2020，30（02）：20-25.