基于模糊控制的風電機組變槳距控制

尹東陽　盛義發(fā)

摘 要：針對風力發(fā)電機組非線性、時變性的問題，提出采用模糊PID控制器作為變槳距控制器，在風速高于額定風速時，依據(jù)風速變化情況調(diào)整槳距角，從而使風電機組保持恒功率輸出，最后在MATLAB平臺上搭建仿真模型。結(jié)果表明，采用模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制具有更好的動態(tài)性能和靜態(tài)誤差，能夠優(yōu)化變槳距控制方法。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；變槳距控制器，模糊控制；MATLAB仿真

Abstract：Aiming at the problems of nonlinear， time-varying in the wind turbines， Fuzzy PID controller is established as a variable pitch controller. Pitch angle is adjusted according to wind speed to keep constant power output when the wind speed is higher than the rated wind speed。Finally，building the simulation model in the MATLAB platform.Results show，F(xiàn)uzzy PID controller has better dynamic performance and static error than the traditional one. It can optimize the variable pitch control method.

Key words：Wind turbines；Variable pitch controller；fuzzy logic control；The MATLAB simulation

1 引言

風速的隨機性和不確定性，使得風速跟蹤、預(yù)測以及風電機組的控制成為風力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。模糊PID控制將常規(guī)PID控制與模糊控制相結(jié)合，具有控制精度高、控制動態(tài)響應(yīng)好、超調(diào)量小以及能夠消除靜態(tài)誤差的特性，在風電機組控制應(yīng)用中具有不可比擬的優(yōu)勢[2-3]。對風力機進行調(diào)節(jié)時，變槳距調(diào)節(jié)能更大程度地獲取風能且輸出功率平穩(wěn)，因此，深入研究基于模糊PID的風電機組變槳距控制方法具有實際的工程應(yīng)用意義。

2 風電機組的建模

常用的風電機組一般分為風輪、傳動、雙饋異步發(fā)電機、變槳四個子系統(tǒng)。為了定量分析發(fā)電機組的系統(tǒng)特性，建立其物理模型，如下：

2.1 風輪模型

假設(shè)軸向流過風輪的風速為v（m/s），風輪捕獲功率和轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩為[4]：

其中，ρ為空氣密度（kg/m3），A為風輪的面積（m2），R為風輪半徑（m），Cp為風能利用系數(shù)，ω為風輪轉(zhuǎn)速（rad/s）。

風能利用系數(shù)帶包風輪吸收風能的能力，一般用如下關(guān)系式表示：

從式（3）和式（4）可以看出，風能利用系數(shù)隨槳距角的增大而減小，因此，可以通過調(diào)節(jié)槳距角限制風輪捕獲的風能達到恒功率控制的目的。

2.2 傳動系統(tǒng)模型

風力發(fā)電機組的剛性軸模型可表示為[5]：

其中，Jm、Je：風輪、電機的轉(zhuǎn)動慣量（kg/m2），G：齒輪箱增速比，ωr：風輪角速度（rad/s），Te、Tα：發(fā)電機電磁力矩和風輪氣動力矩（N/m），B：傳動系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)。

2.3 雙饋異步發(fā)電機模型

假設(shè)討論的異步雙饋電機為理想電機，忽略磁滯、鐵磁飽和、定轉(zhuǎn)子齒槽和渦流影響[6]。有

g為發(fā)電機極對數(shù)，m1為電源相數(shù)，U1為電網(wǎng)電壓（V），ω1為發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速（rad/s），C1為修正系數(shù)，r1、x1為定子繞組的電阻和漏抗（Ω），r2、x2為歸算到轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗（Ω）。

2.4 變槳距系統(tǒng)模型

考慮到變槳距系統(tǒng)的時滯特性，選擇帶遲延的一階慣性環(huán)節(jié)模擬變槳距機構(gòu)，得傳遞函數(shù)[7]：

Tβ、τ分別為時間常數(shù)和遲延時間（s），βref為參考槳距角（?）。

3 模糊PID變槳距控制器的設(shè)計

3.1 模糊控制的基本原理

模糊控制首先是由加利福利亞大學(xué)教授L.A.Zadeh[8]提出，將模糊集合論、模糊語言和模糊邏輯推理相結(jié)合的計算機智能控制的方法。模糊控制的基本思想是將微機獲取的中斷采樣精確值與給定值相比較得到偏差信號e，并且將e、ec的準確值模糊化為模糊量E、EC，用相應(yīng)的模糊語言表示偏差e、ec的模糊量，得到模糊語言子集，再依據(jù)模糊推理的合成規(guī)則對模糊子集和模糊關(guān)系進行模糊決策，得到模糊控制量 最后反模糊化得到精確控制值，實現(xiàn)整個被控過程的精確控制[9]。

3.2 模糊PID變槳距控制器的設(shè)計

風電機組采用傳統(tǒng)的PID控制器時，在高于額定風速的情況下呈現(xiàn)很強的非線性，穩(wěn)定工作區(qū)域具有局限性；且PID控制的慣性和延遲特性，可能在風電機組并網(wǎng)運行的過程當中給電網(wǎng)造成較大的沖擊。采用模糊控制時，控制精度較差，且難以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)事先給定的偏差閾值，結(jié)合模糊控制和PID控制事先模糊PID控制，在較大偏差范圍內(nèi)可實現(xiàn)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，在較小偏差非為內(nèi)切換至PID控制，可消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而達到良好的控制效果。其具體控制過程如圖1所示：

首先，風電機組輸出功率的負反饋與額定功率差值比較，進行模糊控制，對槳矩角進行初步的調(diào)整；接著，PID控制器根據(jù)模糊控制的輸出，進行負反饋調(diào)節(jié)，從而通過雙負反饋達到調(diào)整槳距角的效果。

模糊控制器設(shè)置的關(guān)鍵是建立合適的模糊判定規(guī)則表，本文中設(shè)定輸入功率誤差E，其誤差導(dǎo)數(shù)為DE，模糊輸出槳距角β的5個模糊子集分別表示正中、正小、近零、負小、負中。分別用PM、PS、ZO、NS、NM表示，模糊判定規(guī)則表如表1所示。一般根據(jù)設(shè)計人員的實際操作經(jīng)驗和技術(shù)知識給出。

4 仿真結(jié)果與分析

仿真所用的風力發(fā)電機參數(shù)如下：額定功率1.5MW，風輪直徑64m，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定風速19m/s，風輪機切入風速 3m/s，切出風速28m/s，空氣密度1.225kg/m3，β角調(diào)整范圍0～25?，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為6.27×104kg·m2。

設(shè)定模糊控制器的主要參數(shù)為：E的論域[-105，105]，DE論域[-2×104，2×104]，β論域為[-25?，25?]。取高斯函數(shù)為模糊模糊集的隸屬函數(shù)。

在MATLAB中用隨機函數(shù)產(chǎn)生的120s風速曲線如圖2所示，可以看出，風速是一條無規(guī)律、不規(guī)則變化的曲線。本文只是對額定風速以上的變槳距恒功率控制進行研究，因此，產(chǎn)生的風速值均大于19m/s。

將此風速值進行模糊化后作為模糊PID變槳距控制器的輸入，得到變槳距調(diào)節(jié)曲線如圖3所示

從圖3可以看出，采用模糊PID控制器對槳距角的調(diào)節(jié)范圍在規(guī)定角度以內(nèi)，并且調(diào)節(jié)角度比較準確，波動相對較小，可以滿足控制系統(tǒng)對槳距角調(diào)節(jié)的要求。

在給出的風速條件下，風力發(fā)電機組的輸出功率曲線如圖4所示。

輸出功率保持在額定功率1.5MW附近，波動范圍較小，在10%誤差以內(nèi)，并且響應(yīng)速度較快，基本上滿足恒功率控制要求。

5 結(jié)論

本文針對風力發(fā)電機組非線性、多變量的特性，在額定風速以上，設(shè)計模糊PID控制器調(diào)節(jié)槳距角，是輸出維持在額定功率附近保持恒功率輸出。仿真結(jié)果表明，本文提出的模糊PID控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，其變槳過程穩(wěn)定，具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

[參考文獻]

[1]夏長亮，宋戰(zhàn)鋒.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距自抗擾控制[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（ 14）：91-95.

[2]鄭黎明，許移慶.變速風力發(fā)電機模型參考自適應(yīng)控制[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2005，32（2）：57-61.

[3]徐大平，肖運啟，呂躍剛，等.基于模糊邏輯的雙饋型風電機組最優(yōu)功率控制[J].太陽能學(xué)報，2008，29（8）：12-19.

[4]耿華，楊耕.變速變槳距風電系統(tǒng)的功率水平控制[J].中國電機工程學(xué)報，2008，28（25）：130-137.

[5]姚興佳，溫和熙，鄧英.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距智能控制[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，30（2）：159-162.

[6]郭鵬.模糊前饋與模糊PID結(jié)合的風力發(fā)電機組變槳距控制[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（8）：123-128.

[7]王江.帶增益調(diào)度的風力發(fā)電變槳距控制研究[J].電器時代，2009，15（2）：52-53.

[8]張玉華，李振凱.基于模糊控制的風力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電力，2007，24（6）：58-61.

[9]劉飛飛，何文雪，于金鵬，等.基于模糊PID的風力發(fā)電機槳距角控制[J].工業(yè)控制計算機，2012，25（1）：29-30.