永磁同步风力发电系统跟踪效果提升的复合控制策略设计

《Measurement and Control》：Design of composite control strategy for improving the tracking effect of permanent magnet synchronous wind power generation system

　　

针对复杂环境下永磁同步风力发电系统无位置传感器运行时风速跟踪性能问题，文章提出一种复合控制系统策略。速度环控制模块以精细化自抗扰控制（RADRC）策略为核心，并辅以并行比例积分（PI）控制器以增强速度环控制，高效抑制风速波动等外部扰动，提升速度控制精度与稳态性能。通过在自抗扰控制内部模型中引入附加补偿项缓解估计滞后影响，RADRC可实现更快更准的估计性能。电流环采用自抗扰控制（ADRC）并并行PI控制器，以显著提升暂态响应与抗扰鲁棒性。速度观测器采用改进模型参考自适应系统（MRAS），其自适应律以PI控制器为主，并引入并行ADRC调节器进一步降低速度估计误差。相比常规PI或ADRC自适应策略，该观测器可获得更准的转子速度估计并改善系统动态响应。研究人员首先建立永磁同步风力发电系统数学模型并作综合理论分析，随后在MATLAB/Simulink仿真平台上构建系统仿真模型，在多种典型风速条件下验证控制策略。仿真实验数据显示，相比传统控制方案，采用该复合控制策略可显著增强运行稳定性。

研究背景方面，永磁同步风力发电机（PMSG，permanent magnet synchronous generator）因高效率、高功率密度与良好调速性能在风电中占据重要位置。传统比例积分（PI）控制架构存在响应速度与抗扰鲁棒性不可兼顾的固有矛盾，在风速随机不确定、电网阻抗变化与机械参数扰动下易出现响应滞后、功率波动甚至失稳。现有自抗扰控制（ADRC，active disturbance rejection control）与二阶滑模控制会牺牲部分稳态精度，单一PI的模型参考自适应系统（MRAS，model reference adaptive system）位置估计环仍易受内外扰动影响。因此研究人员提出速度环、电流环与速度观测器三层复合控制，以兼顾动态性与稳态精度，相关论文发表于《Measurement and Control》。

作者开展研究用到的关键技术方法包括：建立风机捕获功率与机械转矩模型及PMSG在d-q旋转坐标系下的电压电流与电磁转矩模型；速度环采用精细化线性扩张状态观测器（RLESO，refined linear extended state observer）并在线性误差反馈中加变结构修正项；电流环d轴与q轴均用线性扩张状态观测器（LESO，linear extended state observer）估计电流与集总扰动并作ADRC+PI并行补偿；速度观测器用改进MRAS，以电流方程参考模型与可调模型误差构造自适应律，并在PI自适应律上并行ADRC调节器。仿真基于MATLAB/Simulink典型风速条件验证。

研究结果部分保留小标题如下。2 Wind power generation system model介绍风机功率利用系数C_P(λ,β)、机械转矩T_m与PMSG转子运动方程、d-q电压方程及i_d^*=0时电磁转矩T_e=3/2 n_p ψ_f i_q，说明低于额定风速的最大功率点跟踪可等价转化为转速调节问题。3 Composite control strategy中，3.1 Design of speed loop controller将速度动态写成标准ADRC形式，集总扰动d_m含机械转矩变化、黏性摩擦与未知外扰，常规LESO在风速剧变时有估计滞后，研究人员提出RLESO引入η·sgn(k₁₁?ω_r)变结构项，使k₁₁估速与k₁₂估扰更快更准，再以u=u₀?k₁₂/b_p0补偿，并并行PI消除稳态偏差得到i_q^*。3.2 Design of current loop controller将d轴、q轴电流方程中的耦合项、参数不确定性与外扰化为集总扰动d_m1，用LESO估计i_d、i_q与扰动，ADRC输出u_dv、u_qv后再并接PI得u_d^*、u_q^*，从而提升电流环暂态与鲁棒性。3.3 Design of speed observer based on improved MRAS以PMSG电流模型作参考模型、可调模型输出i_d′、i_q′，常规MRAS自适应律ω_e0=(k_p4+k_i4/s)(i_d i_q′?i_d′ i_q?ψ_f/L(i_q?i_d′))，研究人员在PI自适应律外并行ADRC调节器，进一步压低转速估计误差。

讨论与结论部分，研究人员指出传统PI在动态扰动下响应滞后的根本限制，ADRC虽抗扰但可能损稳态精度，单一MRAS亦受扰动。所提复合策略中RADRC缓解估计滞后，电流环ADRC+PI兼顾瞬态与稳态，改进MRAS用PI为主并并行ADRC调节器降低估速误差。结论为：该复合控制策略在多种典型风速下相较传统PI或ADRC方案，可显著提升永磁同步风力发电系统的速度跟踪、抗扰能力与运行稳定性，对无位置传感器风电系统工程应用具有实际意义。