風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型改進(jìn)研究

陳凱

摘 要： 為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和使用效率，需要進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電功率有效預(yù)測(cè)， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)優(yōu)化控制。提出一種基于模糊PID的風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型。首先建立風(fēng)電發(fā)電機(jī)的電路模型，以風(fēng)電發(fā)電機(jī)的輸出目標(biāo)電流、輸出功率、勵(lì)磁電流和動(dòng)子電流等參量為約束參量模型，進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電機(jī)的控制器模型設(shè)計(jì)。在優(yōu)化控制模型中，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預(yù)測(cè)的模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行最優(yōu)解求取，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率有效預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精度較高，收斂性較好，有效提高了風(fēng)電發(fā)電機(jī)的輸出效率。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電發(fā)電； 功率預(yù)測(cè)； 優(yōu)化控制； PID

中圖分類號(hào)： TN830.4?34； TM359 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0169?03

Abstract： In order to improve the generation power and application efficiency of wind generator， the power prediction for wind power generation is needed to achieve optimal control of the generator. A fuzzy PID based power prediction model of wind power generation is proposed in this paper. The circuit model of wind power generator is built， and then the controller model for wind power generator is designed by taking the parameters of output goal current， output power， excitation current and rotor current of the wind power generator as the constraint parameter model. In the optimized control model， the fuzzy PID control objective function for generation power prediction is established according to Kirchhoff voltage loop model， and its optimal solution is obtained to achieve effective generation power prediction. The experimental results show that the method has high precision and good convergence for power forecasting of the wind power generation， and can improve the output efficiency of wind power generator effectively.

Keywords： wind power generation； power prediction； optimal control； PID

0 引 言

隨著人們對(duì)風(fēng)能利用和開發(fā)的不斷深入，風(fēng)力發(fā)電向系統(tǒng)化和大功率方向發(fā)展，且電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝越來(lái)越成熟，能高效地采集風(fēng)能并得到大功率的電能輸出。風(fēng)力發(fā)電具有綠色污染的特點(diǎn)，成為新能源開發(fā)的主要方向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是利用風(fēng)能推動(dòng)電機(jī)組的三相定子繞組進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能的發(fā)電子裝置，風(fēng)力電機(jī)是一種永磁勵(lì)磁繞組電機(jī)，具有多變量、非線性的特點(diǎn)[1]。由于風(fēng)能輸入的不確定性，導(dǎo)致對(duì)風(fēng)力電力的功率預(yù)測(cè)難度較大，需要研究一種有效的風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型，提高風(fēng)電機(jī)的控制品質(zhì)。本文提出一種基于模糊PID的風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型，首先進(jìn)行電機(jī)工作原理分析和電機(jī)控制模型設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行功率輸出預(yù)測(cè)約束參量分析，采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)功率輸出優(yōu)化預(yù)測(cè)，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，得到有效性結(jié)論。

1 電機(jī)模型分析與約束參量描述

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先需要構(gòu)建風(fēng)電機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用平板式電磁耦合設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電的直線感應(yīng)電機(jī)模型，建立單定子的風(fēng)力電機(jī)的等效電路模型如圖1所示。根據(jù)圖1所示的單定子風(fēng)力電機(jī)等效模型進(jìn)行輸出功率預(yù)測(cè)的模型參數(shù)分析，電機(jī)的負(fù)載電阻為[Req]，電機(jī)定子繞組間通過(guò)整流和濾波輸出電磁推力，負(fù)載電阻等效為：

電樞反應(yīng)互感項(xiàng)由負(fù)載、頻率決定，通過(guò)上述對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型分析，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率預(yù)測(cè)，構(gòu)建預(yù)測(cè)約束參量模型。

1.2 功率預(yù)測(cè)約束參量分析

在建立風(fēng)電發(fā)電機(jī)的電路模型的基礎(chǔ)上，以風(fēng)電發(fā)電機(jī)的輸出目標(biāo)電流、輸出功率、勵(lì)磁電流和動(dòng)子電流等參量為約束參量模型[3]，構(gòu)建電磁轉(zhuǎn)矩方程，進(jìn)行功率預(yù)測(cè)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，得到功率預(yù)測(cè)約束參量描述為：

2 PID預(yù)測(cè)模型

在上述進(jìn)行了風(fēng)電發(fā)電的電機(jī)等效電路設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)約束參量分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型優(yōu)化，本文提出一種基于模糊PID的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預(yù)測(cè)的模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)[4]，基爾霍夫電壓回路方程描述為：

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)中的電源供電電壓[B]=30 V，電機(jī)電磁繞組的磁密在2.5～5.5之間取值，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的輸出功率分別為[Pe=0.907 8k″e(cuò)Bnmaxf2]，[Px=0.96k″xB1.5maxf1.5]，電壓增益為12 V，電磁耦合器的勵(lì)磁電感為229 H，轉(zhuǎn)矩輸出為12 N·m，風(fēng)力采集的分布三維空間范圍為1 200 m×2 000 m×20 m，風(fēng)機(jī)發(fā)電過(guò)程中的負(fù)載、頻率以及定子并聯(lián)耦合參數(shù)分別為[A1=0.3，ω1=0.07π]，[A2=2，ω2=0.09π]，

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于模糊PID的風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型，建立風(fēng)電發(fā)電機(jī)的電路模型，以風(fēng)電發(fā)電機(jī)的輸出目標(biāo)電流、輸出功率、勵(lì)磁電流和動(dòng)子電流等參量為約束參量模型，進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電機(jī)的控制器模型設(shè)計(jì)。在優(yōu)化控制模型中，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預(yù)測(cè)的模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行最優(yōu)解求取，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率有效預(yù)測(cè)。

仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精度較高，收斂性較好，有效地提高了風(fēng)電發(fā)電機(jī)的輸出效率，性能優(yōu)越。

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