基于密度感知级联前向反向传播神经网络与有功功率调节的永磁同步发电机风电系统最大功率提取策略

《Results in Engineering》：Maximum Power Extraction Strategy for PMSG-Based WECS Using Density-Aware Cascade Forward Backpropagation Neural Network With Active Power Regulation

　　

本研究提出一种面向并网永磁同步发电机（PMSG）型风力发电系统（WECS）在变空气密度工况下的密度感知最大功率提取与有功功率调节（APR）框架。研究人员开发了一种基于级联前向反向传播神经网络（CFBNN）的最大功率点跟踪（MPPT）方法，直接从转子转速、温度与相对湿度生成最优q轴电流参考Iq*，无需风速传感器。在区域III运行中采用协调APR策略，通过转子转速与变桨控制调节额定功率，同时设计积分终端协同电流控制器（ITSCC）以改善电流调节性能。所提框架在MATLAB/Simulink中对5 kW直驱PMSG型WECS于阶跃与随机风况及不同环境温度下进行验证，并与基于前馈神经网络（FFNN）、最优转矩控制（OTC）和模糊逻辑控制（FLC）的MPPT方法对比。区域II阶跃风况下，所提CFBNN较FFNN、OTC与FLC分别将叶尖速比均方根误差降低达38%、73%与71%；随机风况下于所有测试温度中取得最高平均涡轮功率与最低输出功率变异系数；ITSCC调节时间达1.8 ms，较常规PI与滑模控制器分别提速约79%与76%；附加电网电压跌落测试确认了机侧稳定运行与直流母线电压有效调节。结果表明该框架在变气候条件下具备有效性。

研究背景方面，全球风能装机持续增长，直驱永磁同步发电机（PMSG）因无齿轮、低噪等优势被广泛采用。风力发电系统（WECS）输出随风速随机波动，需在区域II通过最大功率点跟踪（MPPT）最大化捕获能量，在区域III限制于额定功率并保护机组。现有MPPT方法分间接法（叶尖速比TSR、最优转矩控制OTC）与直接法（扰动观察P&O、电导增量、模糊逻辑FLC、优化算法、神经网络等），但多数假设空气密度恒定，忽略温度、湿度、海拔对空气密度的影响，导致参考轨迹偏离真实最大功率点；区域III传统依赖变桨PI控制，动态变差且作动器磨损大；机侧电流控制常采用PI、滑模（SMC）、协同控制等，存在固定增益、抖振或计算复杂问题。因此，研究人员开展一项统一框架研究，集成密度感知CFBNN-MPPT、协调APR与ITSCC电流控制，在5 kW直驱PMSG平台验证其于变气候条件下的能量捕获、功率调节与电气性能。该文发表于《Results in Engineering》。

关键技术方法上，研究人员首先建立WT气动模型与PMSG的dq轴电气机械模型，采用干空气与水蒸气分压分解法将空气密度ρ建模为温度T、相对湿度RH与轮毂高度h_s的函数，并依此离线生成CFBNN训练集；CFBNN以转子转速ω_m、T、RH为输入，经级联前向结构与反向传播训练直接输出最优I_q^*；APR在区域III协调转子转速参考与变桨角β以跟踪参考功率P^*；机侧电流环采用积分终端协同电流控制器（ITSCC），利用改进宏变量结构调节V_d与V_q；网侧保留常规电压定向矢量控制仅作对比基准。仿真基于MATLAB/Simulink，样本为5 kW直驱PMSG-WECS在阶跃/随机风廓线及多环境温度场景。

研究结果部分，第二章风力发电系统建模中，研究人员给出气动功率P_m=0.5A V_w³ C_p(λ,β) ρ(T,RH,h_s)与C_p经验式，明确最优叶尖速比λ_opt=6.912、β=0°时C_p,max=0.4412；通过ρ(T,RH,h_s)模型量化温度主导密度变化（全温域ρ变约26.54%，全湿域仅约1.27%），论证密度感知必要性；由最优电磁转矩T_e=Kρω_m²推导I_q理论参考，供CFBNN离线标定。第三章控制方案中，3.1节级联前向反向传播神经网络（CFBNN）以输入直连输出分支增强非线性映射，用ω_m,T,RH估I_q^*免风速测量；3.2节有功功率调节（APR）在区域III以转子转速微调+变桨协同跟踪P^*，减少单纯变桨动作；3.3节积分终端协同电流控制器（ITSCC）改宏变量引入积分终端项，实现无抖振、1.8 ms整定。第四章对比验证中，区域II阶跃风况CFBNN叶尖速比RMSE较FFNN、OTC、FLC降38%、73%、71%；随机风况各温度下平均涡轮功率最高且输出功率变异系数最低；ITSCC较PI、SMC快79%、76%；电网电压跌落测试机侧稳、直流母线可调。

讨论与结论部分，研究人员指出已有文献多孤立处理MPPT、密度修正、APR与电流控制，本文统一框架弥补集成空缺。结论表明：密度感知CFBNN通过T、RH、ω_m隐式嵌入ρ影响，免风速传感器且在变密度下优于FFNN/OTC/FLC；APR协调转速与变桨实现区域II-III平稳过渡与额定限功率；ITSCC兼顾协同控制鲁棒与快速收敛无抖振；5 kW平台阶跃/随机风及跌落下整体框架提升能量捕获、限制功率波动、强化机侧电流质量，对高纬高湿等变气候现场具有工程意义。