風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制設(shè)計(jì)

摘 要：本文將針對目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中廣泛采用的兩種發(fā)電機(jī)，即繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機(jī)和交流永磁同步發(fā)電機(jī)，介紹基于模糊邏輯智能控制方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)；智能控制

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為3個(gè)層次。這就是保證可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)從定漿距發(fā)展到變槳距又發(fā)展到近年來采用的變速控制技術(shù)正是為了達(dá)到這一控制目標(biāo)。

傳統(tǒng)的變速控制模式需要首先建立一個(gè)有效的系統(tǒng)模型，而由于空氣動力學(xué)的不確定性和電力電子模型的復(fù)雜性，系統(tǒng)模型的確定不是件容易的事情。從已列出的那些可能影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的誤差源和不確定性因素中，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于雷諾數(shù)的變化會引起在功率上5%的誤差，而由于葉片上的沉積物和下雨可造成20%的功率變化，其他諸如老化和大氣條件等因素，也將在機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程中引起不同程度的變化。因此所有基于某些有效系統(tǒng)模型的控制也僅適合于某個(gè)特定的系統(tǒng)和一定的工作周期。由于這些原因，基于模糊邏輯的智能控制技術(shù)于最近幾年被引入了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制領(lǐng)域并受到研究人員的重視。

1 模糊邏輯控制

模糊邏輯控制是一種新穎的控制策略，與經(jīng)典的控制策略相比，模糊控制的優(yōu)勢在于模糊邏輯控制器無需數(shù)學(xué)模型即可由控制器執(zhí)行其功能。不論是在非線性還是多變量系統(tǒng)中，特別是當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知或不確定時(shí)，都能產(chǎn)生令人滿意的效果。模糊邏輯控制器框圖如圖1所示。

模糊邏輯控制策略分5個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：

1）輸人控制變量（文字控制變量）；

2）通過適當(dāng)?shù)哪：龔膶俸瘮?shù)將文字控制變量模糊化；

3）通過基于規(guī)則的判定矩陣決定控制策略（試探規(guī)則）；

4）通過設(shè)置模糊的集合形式將輸出的控制變量非模糊化；

5）反饋輸出信號，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。

模糊邏輯控制器的參數(shù)

簡化的模糊邏輯控制器包括4個(gè)主要部分：

1）輸入接口；

2）判定規(guī)則矩陣；

3）推理引擎；

4）輸出接口。

⑴控制變量。模糊邏輯控制器用非線性圖形來描述從輸入變量到輸出變量的過程。控制器根據(jù)測量值來確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行條件，并根據(jù)判定規(guī)則矩陣選擇適當(dāng)?shù)膭幼?。根?jù)系統(tǒng)狀態(tài)，控制器在‘‘不動作”和“全動作”的范圍內(nèi)，以極度非線性的方式抑制波動?？刂破鞑⒉缓瑒討B(tài)部件，因此，它在理論上可以即時(shí)根據(jù)判定規(guī)則矩陣進(jìn)行校正控制。

⑵從屬函數(shù)。如果x為一個(gè)目標(biāo)集合，則模糊集合A在x中是一組順序數(shù)對A={（x，μA（x）），x在X中且μA（x）為從x到[0，1]區(qū)間的映射}，式中，μA（x）被稱作是A中x的模糊從屬函數(shù)。定義模糊從屬函數(shù)時(shí)，代表模糊邏輯控制器文字變量的輸入控制變量，必須分成幾個(gè)部分。為給每一文字變量挑選屬性號，必須考慮到模糊邏輯控制器將根據(jù)4個(gè)輸入變量和它們的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來決定系統(tǒng)特性趨勢。當(dāng)4個(gè)輸入變量維持在平衡點(diǎn)或在預(yù)先確定的范圍之內(nèi)時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)膹膶俸瘮?shù)來設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器。為了滿足良好的設(shè)計(jì)要求，我們?yōu)檩斎胛淖肿兞?、它們的?dǎo)數(shù)和模糊修正定義了5個(gè)模糊集合。

⑶判定規(guī)則矩陣。一般說來，可以為每一個(gè)輸入變量定義共5×5=25個(gè)規(guī)則。但是，模糊邏輯控制器的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)說明，往往只需利用其中的幾個(gè)規(guī)則，系統(tǒng)性能就可以得到很好的控制。判定規(guī)則以IF（A） AND（B） THEN（c）的形式進(jìn)行公式化，其中，A、B是兩個(gè)前提，而c是結(jié)果。

⑷輸出控制變量。模糊輸出控制變量的確定實(shí)際上是一個(gè)非模糊化過程，將模糊修正集合轉(zhuǎn)化為輸入控制變量預(yù)定義運(yùn)行范圍內(nèi)的真實(shí)值。

2 模糊轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)

為了取得在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的最大功率。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行中，采用了3個(gè)模糊控制器：模糊控制器A用于跟蹤不同風(fēng)速下發(fā)電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速從而優(yōu)化風(fēng)力機(jī)的氣動性能；模糊控制器B在低負(fù)載時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙磁通，從而優(yōu)化發(fā)電機(jī)的效率；模糊控制器C抵抗干擾，保證轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的魯棒性。

2.2 仿真與模擬研究

根據(jù)上述控制方案，用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真研究。MAT[AB/SIMULINK的Power system元件庫內(nèi)有很多包括發(fā)電機(jī)存內(nèi)的電氣器件模型，但沒有風(fēng)力機(jī)模型。根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性和參數(shù)，可以建立風(fēng)力機(jī)的模型。

由于模糊隸屬函數(shù)與模糊控制規(guī)則的建立包含很多經(jīng)驗(yàn)因素，初步的選擇可能并不能達(dá)到比較好的效果，因此在仿真過程中可以根據(jù)仿真結(jié)果對它們進(jìn)行修改，以達(dá)到理想的結(jié)果。

采用模糊控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，在它進(jìn)行實(shí)時(shí)搜索的過程中不需要風(fēng)速信號，而且也不在乎系統(tǒng)參數(shù)的變化，對于噪聲和擾動于擾的也不敏感。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這樣的非線性時(shí)變系統(tǒng)是一種理想的控制方案。

2.3 模擬研究

為了評估模糊邏輯控制器的性能，將上述控制器用于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

分析模擬結(jié)果可以看出，模糊邏輯控制器表現(xiàn)了良好的動態(tài)特性。控制策略的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種對運(yùn)行條件變化不太敏感的控制方案，而使用模糊控制，無論是在低速、常速還是高速條件下，都可以觀測到同樣的動態(tài)特性。特別是在較高風(fēng)況下，模糊邏輯控制器可以有效抑制系統(tǒng)的擾動，兼顧最大功率系數(shù)和良好的發(fā)電質(zhì)量。

3 采用智能控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

系統(tǒng)由一水平軸、可變槳距風(fēng)輪，通過增速器與同步發(fā)電機(jī)連接構(gòu)成。發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接采用交-直-交變流器。在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)控制環(huán)：

（1）內(nèi)部勵磁環(huán)，低于額定風(fēng)速時(shí)它通過發(fā)電機(jī)勵磁電流控制電壓和轉(zhuǎn)矩。

（2）外部風(fēng)輪環(huán)，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)控制最大功率。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從控制系統(tǒng)角度來看可分為3個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)輪氣動特性、傳動系統(tǒng)動態(tài)特性和發(fā)電機(jī)整流器模型。

3.1 風(fēng)輪氣動特性

在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的。這樣氣動特性可以用一個(gè)以平均風(fēng)速為輸入量的簡化模型來表達(dá)。

風(fēng)輪吸收的功率為

當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)槳距角p來限制輸入功率。槳葉角度由一個(gè)機(jī)電調(diào)節(jié)器控制，該調(diào)節(jié)器的一階模型由下式表示： 式中τβ——調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)；βτ——節(jié)距角參考輸人。

系統(tǒng)的輸入量為風(fēng)速ν、槳葉節(jié)距角β和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω，輸出量娃風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩Tr。

3.2 傳動系統(tǒng)動態(tài)特性

根據(jù)風(fēng)輪氣動特性產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tr，作用于帶有慣性矩Jr的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過增速比為n的增速器連接到帶有慣性矩Jg的發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生——反轉(zhuǎn)矩Te。

3.3 發(fā)電機(jī)——整流器模型

系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)采用三相同步發(fā)電機(jī)，有一勵磁繞組和二個(gè)阻尼繞組。整流器是一三相晶閘管整流橋，它將同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的恒壓變頻的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。傳輸線路上有電阻尺和電感，在直流傳輸線路上有電阻和電感。假設(shè)逆變器是理想的，這樣整流器的輸出直流電功率全部被轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的三相交流電功率。由于這一假設(shè)不需要逆變器模擬。

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