變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制

鄧文斌 王維慶 吐松江·卡日 饒成誠 吳 寒 孟 威

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.國網(wǎng)湖南省電力公司超高壓管理局，長沙 410004；3.華潤電力控股有限公司宜昌分公司，湖北 宜昌 443000)

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)已經(jīng)由定槳距控制發(fā)展到變速變槳控制，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制策略和控制器的設(shè)計(jì)。為了提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量、降低風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所承受的載荷、最大限度地捕獲風(fēng)能并延長設(shè)備壽命[1,2]，筆者提出將機(jī)組輸出功率的變化作為變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)[3]，對于一個(gè)復(fù)雜多變量的不確定系統(tǒng)，采用模糊控制可以有效地滿足其要求[4～6]，使其根據(jù)風(fēng)速變化情況實(shí)現(xiàn)變速變槳運(yùn)行。

1 變槳距控制理論①

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由機(jī)械部分和電能轉(zhuǎn)化部分組成。風(fēng)輪是機(jī)械部分能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，風(fēng)以軸向風(fēng)速流過風(fēng)輪時(shí)捕獲的功率為：

Pr=0.5πρCp(β,λ)R2ν3

(1)

式中Cp(β,λ)——風(fēng)能利用系數(shù)；

Pr——風(fēng)輪吸收的功率；

R——風(fēng)輪半徑；

ν——軸向風(fēng)速，m/s；

ρ——空氣密度。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp表示風(fēng)能利用率，與葉尖速比λ和槳距角β成非線性函數(shù)關(guān)系：

(2)

根據(jù)式(2)可以獲得風(fēng)能利用系數(shù)的曲線，如圖1所示。

圖1 風(fēng)能利用系數(shù)曲線

從圖1可知：

a. 對于某固定的槳距角β，存在唯一的最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax(β,λ)，且有最佳葉尖速比λopt；

b. 隨著槳距角β的增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp(β,λ)減小。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)值由風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)輸出功率等因素實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，但由于風(fēng)速的不確定性，一般通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速來反饋控制槳距角的變化[7]，從而實(shí)現(xiàn)變槳距控制。

2 傳動系統(tǒng)模型

忽略傳動鏈的內(nèi)部動態(tài)過程，將其簡化成單質(zhì)量塊。作用于單質(zhì)量塊傳動鏈，對于非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其傳動鏈運(yùn)動方程為：

(3)

式中CT(β,λ)——風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

Jr——風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量；

Tm——齒輪箱轉(zhuǎn)矩；

Tr——風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩；

γ——齒輪箱的增速比；

ω——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

當(dāng)齒輪箱的轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)時(shí)，忽略發(fā)電機(jī)自身的系統(tǒng)阻力矩，其轉(zhuǎn)動慣量為：

(4)

式中Jd——異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；

ωd——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，ωd=ωγ。

將式(3)、(4)結(jié)合，可得到風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)方程：

(5)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)電機(jī)組變速變槳控制策略

常規(guī)的風(fēng)電機(jī)組變槳控制策略由風(fēng)速大小而定。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可以視為定槳距運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)變槳距運(yùn)行以確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

模糊控制屬于智能控制，且具有數(shù)學(xué)模型不依賴于被控對象、魯棒性好、抗干擾強(qiáng)及能克服非線性因素影響等優(yōu)點(diǎn)，其可將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示成語言規(guī)則而實(shí)現(xiàn)控制，適用于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象。根據(jù)功率的變化情況，通過模糊控制適時(shí)調(diào)整變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變槳速度，實(shí)現(xiàn)其變速運(yùn)行，與常規(guī)PI的變槳控制方法相比，變速變槳方案可以抑制超速、超載的出現(xiàn)，減輕變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的疲勞度，降低其故障發(fā)生率，延長使用壽命[8～10]。

假設(shè)風(fēng)電機(jī)組額定功率為Ps，輸出功率為P0，則功率誤差為ΔP=P0-Ps，誤差變化率為dΔP/dt。筆者研究瞬變風(fēng)速在額定風(fēng)速以上和額定風(fēng)速以下的情況，風(fēng)力機(jī)吸收的功率如圖2所示。根據(jù)功率變化，再結(jié)合變速變槳風(fēng)電機(jī)組的模糊控制策略，可推知：

a. 若ΔP<0，并且輸出功率持續(xù)增大。當(dāng)功率誤差變化率增大時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程減速變槳；當(dāng)功率誤差變化率保持不變時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程保持當(dāng)前變槳速度；當(dāng)功率誤差變化率減小時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程加速變槳。

b. 若ΔP>0，并且輸出功率持續(xù)增大。當(dāng)功率誤差變化率增大時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程加速變槳；當(dāng)功率誤差變化率保持不變時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程保持當(dāng)前變槳速度；當(dāng)功率誤差變化率減小時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程減速變槳。

c. 若在Ps處(即ΔP=0)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不運(yùn)行，保持當(dāng)前槳距角不變。

d. 若ΔP>0，并且輸出功率持續(xù)減小。當(dāng)功率誤差變化率增大時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程加速變槳；當(dāng)功率誤差變化率保持不變時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程保持當(dāng)前變槳速度；當(dāng)功率誤差變化率減小時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)增大槳距角，此過程減速變槳。

e. 若ΔP<0，并且輸出功率持續(xù)減小。當(dāng)功率誤差變化率增大時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程減速變槳；當(dāng)功率誤差變化率保持不變時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程保持當(dāng)前變槳速度；當(dāng)功率誤差變化率減小時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小槳距角，此過程加速變槳。

圖2 風(fēng)力機(jī)的吸收功率

由于傳統(tǒng)的PI控制器屬于反饋控制器，僅當(dāng)偏差存在時(shí)，控制才起作用，并且在當(dāng)時(shí)的風(fēng)速下，整定好的PI參數(shù)合適，可能隨著風(fēng)速的變化其效果不一定理想。在此控制策略中，采用了模糊控制系統(tǒng)，無需根據(jù)實(shí)時(shí)測量的風(fēng)速建立精確數(shù)學(xué)模型，只需通過功率變化情況、模糊控制器輸出及時(shí)調(diào)整變槳速度，即可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定輸出額定功率[11]。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器非常適用于變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種非線性控制系統(tǒng)，因此筆者提出結(jié)合上述控制策略構(gòu)建模糊控制器。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

模糊控制的輸入變量為功率誤差E和誤差變化率Ec，輸出變量為變槳速度U。通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，可得功率誤差和誤差變化率的基本論域?yàn)閇-1×105W，1×105W]，取輸出U的基本論域?yàn)閇0°/s,5°/s]。輸入變量和輸出變量的量化因子與比例因子都是常數(shù)，合理地設(shè)計(jì)其值，使得控制器的輸入、輸出變量的基本論域分布在模糊論域[-6,6]，對應(yīng)的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分別用負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大表示。由此根據(jù)功率調(diào)節(jié)要求，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可制定模糊控制規(guī)則(表1)。

4 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink仿真中，研究模擬的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般參數(shù)：空氣密度ρ=1.25kg/m3，切入和切出風(fēng)速分別為3m/s和25m/s，風(fēng)輪和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量Jr=2.5×106kg·m2、Jd=52kg·m2，齒輪箱的傳動比γ=79；額定功率為2MW，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在風(fēng)速不斷變化中正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組模型如圖4所示。

表1 模糊控制器規(guī)則

圖4 變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

當(dāng)風(fēng)速變化曲線如圖5所示，仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6a為PI控制仿真結(jié)果,圖6b為模糊控制仿真結(jié)果。

圖5 風(fēng)速變化曲線

圖6 仿真結(jié)果

可見，模糊控制時(shí)，隨著風(fēng)速不斷的變化，模糊控制器可以快速實(shí)現(xiàn)小范圍的槳距角調(diào)節(jié)，抑制系統(tǒng)功率輸出的波動，從而降低電磁轉(zhuǎn)矩的振動。但由于風(fēng)力機(jī)慣性比較大，通過調(diào)節(jié)槳距角抑制功率波動需要一段響應(yīng)時(shí)間。

通過仿真結(jié)果可得知，對比PI控制，筆者提出的基于功率變化作為變槳距控制策略的判斷依據(jù)[12]，槳距角變化速度快，變槳幅值區(qū)間小。若瞬態(tài)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)輸出功率幅值略高于額定功率，電機(jī)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速小，從而達(dá)到安全穩(wěn)定的輸出功率。

5 結(jié)束語

筆者將模糊控制器引入變槳距控制系統(tǒng)中，結(jié)合一種基于功率變化判斷的控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速不斷變化和瞬時(shí)變化的情況下迅速調(diào)節(jié)其輸出功率的變速變槳控制方法。通過對比傳統(tǒng)的PI控制器和模糊控制器的控制性能，可知所提模糊控制方法具有較強(qiáng)的魯棒性，不要求精確的數(shù)學(xué)模型，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。該模糊控制器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PI控制器難以在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速變槳的不足。