基于模糊控制的風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)研究

宋建軍，張揚，張長安，楊豐

（1.陜西省地方電力（集團）有限公司，陜西西安710061；2.榆林電力設(shè)計院，陜西榆林719000）

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組特有的伺服系統(tǒng)，也稱為對風(fēng)裝置，它的性能優(yōu)劣直接影響著機組的整體性能以及對風(fēng)能的利用效率和發(fā)電效率。然而，目前國內(nèi)對大型風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的控制技術(shù)研究甚少。

風(fēng)作為自然界的產(chǎn)物，具有隨機性的特點，且其方向也在時刻發(fā)生著變化，因此在風(fēng)力發(fā)電機組的控制中，偏航系統(tǒng)需要頻繁起動使風(fēng)輪盡量保持在迎風(fēng)狀態(tài)，以提高風(fēng)能利用效率。但是風(fēng)力發(fā)電機組在發(fā)電狀態(tài)下偏航時會產(chǎn)生陀螺力矩波動，進而引發(fā)塔架、葉片等的振動，從而對整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全性構(gòu)成威脅，因此偏航系統(tǒng)不適合頻繁起動[1]。此外，近年來風(fēng)力發(fā)電機組的大型化也對偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

如果將常規(guī)的PID隨動控制器應(yīng)用于偏航系統(tǒng)中，偏航執(zhí)行機構(gòu)很容易因為頻繁動作而損壞[2-6]。模糊邏輯控制作為智能控制的一個重要分支，憑借其突出優(yōu)點，近年來得到了快速發(fā)展，它是模仿人的思維形式進行的一種自動控制，具有較好的動態(tài)性能和較強的魯棒性，能夠有效地改善偏航系統(tǒng)的響應(yīng)速度[7-13]，因此本文提出將模糊控制應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)中。

1 偏航系統(tǒng)的工作原理

偏航系統(tǒng)是一個隨動的位置伺服控制系統(tǒng)，它的主要作用有2個：一是在可用風(fēng)速范圍內(nèi)能夠控制風(fēng)輪使之穩(wěn)定地跟蹤風(fēng)向變化，在非可用風(fēng)速范圍下可以進行90°側(cè)風(fēng)控制；二是在由于持續(xù)跟蹤風(fēng)向而造成電纜纏繞超過規(guī)定限值的情況下能夠自動解纜，保障風(fēng)電機組的安全運行。

如圖1所示為偏航控制系統(tǒng)的原理框圖，其工作過程可描述為：風(fēng)向標實時地檢測風(fēng)向的變化情況，并用電信號將檢測結(jié)果傳遞到偏航控制器中，經(jīng)過計算可以確定風(fēng)向信號和機艙中心線的夾角，從而決定是否需要啟動偏航機構(gòu)來調(diào)整機艙的方向。如果需要啟動，微處理器會發(fā)信號給偏航驅(qū)動機構(gòu)，帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)，最終將風(fēng)機調(diào)整到與風(fēng)向一致的位置[14]。

圖1 偏航控制系統(tǒng)原理框圖

2 偏航系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計

2.1 輸入輸出變量模糊化

本文假設(shè)風(fēng)向偏離風(fēng)輪軸心線的角度一直處于自動偏航的設(shè)定值范圍內(nèi)，偏航控制器將本次獲得的風(fēng)向信號與上一次的風(fēng)輪軸心線位置信號進行比較后給出一個角度偏差值。文中偏航控制器選用二維模糊控制器，其輸入量為角度的偏差E和偏差變化率EC，輸出量為偏航角度控制量U。

將輸入語言變量E、EC、U用7個語言變量來表示[15]：{NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）}。

由自動偏航控制的要求，取角度的偏差E的基本論域為（－15°,15°）,偏差變化率Ec的基本論域為（－10,10），偏航控制量U的基本論域為（－60°,60°）。選擇偏差E、偏差變化率Ec及被控量U的模糊論域為X,Y,Z＝{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，則有：

偏差的量化因子為

偏差變化率的量化因子為

被控量的比例因子為

偏差E、偏差變化率Ec和被控量U的模糊子集的隸屬度函數(shù)μ(x)，μ(y)，μ(z)均采用三角形函數(shù)[16]，如圖2所示。

圖2 模糊變量E的隸屬度函數(shù)

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

如表1所示，為風(fēng)機偏航系統(tǒng)模糊控制器的控制規(guī)則表。其中，控制量變化的選取總原則是當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差小或較小時，選擇控制量需要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)穩(wěn)定為主[16-17]。

表1 偏航系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表(U值)

2.3 模糊推理和解模糊方法

本文采用MIN-MAX推理法進行偏航控制系統(tǒng)的模糊推理，解模糊時采用重心法。

3 軟件流程圖設(shè)計

當(dāng)風(fēng)向與機艙中心線的偏離角度在自動偏航設(shè)定值范圍之內(nèi)時，通過偏航模糊控制器進行自動迎風(fēng)控制，如圖3所示為模糊控制實現(xiàn)過程的流程圖。

圖3 模糊控制流程圖

根據(jù)風(fēng)向標傳感器對角度信號的分析，可以設(shè)計偏航方向確定過程的流程如圖4所示。

圖4 偏航方向確定過程流程圖

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型圖

如上所述，偏航系統(tǒng)具有非線性和隨動性，精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，所以本文采用下述簡化數(shù)學(xué)模型[18]來確定其傳遞函數(shù)為

對于變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機組而言，當(dāng)工作在10 m/s的風(fēng)速下，風(fēng)壓力為130 N/m2時，經(jīng)計算可得系數(shù)Km=65,Tm=500。故此時偏航系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

圖5所示為在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建的含模糊控制器的風(fēng)力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)仿真模型。

圖5 含模糊控制器的偏航系統(tǒng)仿真模型

4.2 仿真結(jié)果及比較

對上述含模糊控制器的偏航系統(tǒng)加階躍信號進行仿真，并與PID控制器的仿真結(jié)果（經(jīng)試湊，PID控制器的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)為kp=50，ki=0.001,kd=20）進行比較，得到的響應(yīng)曲線如圖6所示，其中橫坐標為時間，縱坐標為響應(yīng)幅值。

4.3 仿真結(jié)果分析

以上仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的PID控制器相比，模糊控制器的性能更為優(yōu)越，它具有超調(diào)量低、振蕩小的優(yōu)點。另外，從圖6還可以看出，模糊控制器仿真曲線的響應(yīng)時間比PID控制器的要快1.5 s。同時要求偏航系統(tǒng)無超調(diào)，因為風(fēng)機機艙的安裝高度一般都在數(shù)十米甚至上百米，在這樣的高空進行自動對風(fēng)時，若響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，會使偏航系統(tǒng)頻繁起動，導(dǎo)致機艙不穩(wěn)定。因此，采用模糊控制器可在保證偏航系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下具有更快的響應(yīng)速度。

圖6 模糊控制器與PID控制器仿真曲線對比圖

5 結(jié)語

由于風(fēng)向變化具有隨機性和不確定性的特點，如果將傳統(tǒng)的PID隨動控制器應(yīng)用于偏航系統(tǒng)中，雖然可滿足基本要求，但是響應(yīng)速度較慢，會導(dǎo)致風(fēng)能的浪費。所以本文設(shè)計了一種模糊控制器來完成對偏航系統(tǒng)的控制。仿真結(jié)果表明，模糊控制系統(tǒng)的整體性能要優(yōu)于PID控制系統(tǒng)，它能同時滿足偏航系統(tǒng)對控制精度和穩(wěn)定性的要求，因此可以更好地達到預(yù)期的控制目標。

[1]樸海國，王志新.風(fēng)電機組偏航Fuzzy-PID合成控制系統(tǒng)仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：183-188.

[2]孫曉玲,惠晶.基于自適應(yīng)模糊PID算法的光伏系統(tǒng)MPPT控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（22）：181-183.

[3]李文華.改進蟻群算法優(yōu)化PID控制在水力發(fā)電機組中的應(yīng)用研究[J].西北水電，2010（3）：67-70.

[4]李艷華，侯樹文，柏鎮(zhèn).基于GA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能PID控制在水力發(fā)電機組中的應(yīng)用[J].西北水電，2007（4）：62-66.

[5]李萍，蔡維由，肖志懷.水輪機調(diào)速系統(tǒng)的Fuzzy-PID復(fù)合控制及其Matlab仿真模型[J].西北水電，2004（1）：39-41.

[6]夏曉敏,王坤琳,吳必軍.小型風(fēng)電系統(tǒng)MPPT模糊／PID控制仿真研究[J].能源工程，2010（1）：26-31.

[7]林輝.基于模糊控制的感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（21）：151-153.

[8]李銀輝,張建華,李勝,等.T-S模糊控制器設(shè)計新方法及應(yīng)用仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(6):62-64.

[9]張禮勝,李全.基于模糊控制的光伏電池MPPT的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）：165-167.

[10]陳瑩,崔旭東,黃偉鋒.基于PLC的水力發(fā)電機組模糊控制器的設(shè)計[J].西北水電，2006（1）：46-50.

[11]陳俊,惠晶.基于模糊策略的光伏發(fā)電MPPT控制技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（6）：182-185.

[12]劉昊,張艷,高鑫,等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的短期負荷預(yù)測[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(10):62-66.

[13]張晶，曾憲云.基于MATLAB／SIMULINK直流電機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的建模與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，25(4)：12-15.

[14]CHEN Fu-qing,YANG Jin-ming.Fuzzy PID Controller Used in Yaw System of Wind Turbine[C]//20093rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications.Hong Kong:IEEE Computer Society,2009:1-4.

[15]孫增圻.智能控制理論與技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007:42-67.

[16]ZHAO Jin,Bimal K Bose.Evaluation of Membership Functions for Fuzzy Logic Controlled Induction Motor Drive [C]//IEEE 200228th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,Sevilla:IEEE Computer Society,Sevilla,Spain,vol.1,2002:229-234.

[17]李嵐，王秀麗.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有功功率模糊控制器的設(shè)計[J].太陽能學(xué)報，2007，28(11)：1272-1277.

[18]Kung Chris Wu，Rony K Joseph Nagendra K Thupili.Evaluation of Classical and Fuzzy Logic Controllers for Wind Turbine Yaw Control [C]//Proceeding of the 1st IEEE Conference on Aerospace Control Systems.Thousand Oaks:CA,1993:254-258.