基于模糊PI的機(jī)側(cè)變流器控制研究

李春亞 呂蒙

摘 要：由于風(fēng)速的隨機(jī)性及直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的非線性和強(qiáng)耦合性，PI控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)性能。文章在機(jī)側(cè)變流器傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，將模糊控制理論與PI控制相結(jié)合，速度外環(huán)采用模糊PI控制器，能夠根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。并基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真模型對(duì)提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，相比于傳統(tǒng)的PI控制器，模糊PI控制有效地改善了PI控制器響應(yīng)速度慢、超調(diào)大等缺陷，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力。該方法用于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是可行的。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變流器；模糊PI

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0087-03

Abstract： Because of the randomness of wind speed and the nonlinearity and strong coupling of direct-drive permanent magnet wind turbine PI control can not achieve good dynamic performance. On the basis of traditional double closed loop control strategy of machine side converter， this paper combines fuzzy control theory with PI control， adopts fuzzy PI controller in speed outer loop， and can adjust PI parameters in real time according to actual working conditions. Based on Matlab/Simulink simulation platform， a simulation model is built to verify the proposed control strategy. The simulation results show that compared with the traditional PI controller， fuzzy PI controller can effectively improve the system dynamic performance and anti-jamming ability by improving the slow response speed and large overshoot of the PI controller when the wind speed changes. The method is feasible for direct-drive permanent magnet wind power generation system.

Keywords： wind power generation； converter； fuzzy PI

引言

隨著人口膨脹和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在常規(guī)能源急劇減少和環(huán)境污染加重的大背景下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、提高可再生新能源的比重成為世界各國(guó)的首要任務(wù)[1]。風(fēng)能由于儲(chǔ)量豐富，無(wú)污染，發(fā)電成本相比于其他新能源成本低等優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)利用逐漸受到各國(guó)重視。

目前，風(fēng)電機(jī)組常用發(fā)電機(jī)類型主要有雙饋式發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)兩種[2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成為風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)組成主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器和控制系統(tǒng)。

在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而變化，永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接耦合，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之改變。永磁同步發(fā)電機(jī)的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，作為該系統(tǒng)關(guān)鍵部件的變流器，主要作用是把永磁同步發(fā)電機(jī)輸出頻率變化的交流電經(jīng)過(guò)雙PWM變流器轉(zhuǎn)換成工頻電并入電網(wǎng)。本文主要研究的是變流系統(tǒng)中機(jī)側(cè)變流器的矢量控制，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。

1.1 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通過(guò)公式（2）可以得到，可以通過(guò)直接控制iq來(lái)控制轉(zhuǎn)矩輸出，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

1.2 機(jī)側(cè)變流器控制策略分析

目前，最常用的控制機(jī)側(cè)變流器方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。鑒于矢量控制具有調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)平滑控制的優(yōu)點(diǎn)[3]，機(jī)側(cè)變流器為實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁發(fā)電機(jī)的控制，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制，作為永磁同步電機(jī)常用的矢量控制策略。該方法能實(shí)現(xiàn)相同電磁轉(zhuǎn)矩輸出下定子電流最小，對(duì)于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，即i*d=0。電磁轉(zhuǎn)矩與電流呈線性關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩的控制得到簡(jiǎn)化。

如圖2所示為機(jī)側(cè)變流器控制原理圖。根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速？棕m和給定參考轉(zhuǎn)速？棕ref，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制環(huán)得到參考電流值id*和iq*，通過(guò)相電流檢測(cè)電路獲得定子電流，經(jīng)過(guò)dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到id和iq，并與電流參考值相比較，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI控制器，獲得空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制所需給定電壓輸入ud和uq，通過(guò)SVPWM 產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)控制機(jī)側(cè)變流器，從而實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

2 仿真模型的建立

在永磁同步發(fā)電機(jī)矢量控制中，采用速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)PI控制，但由于傳統(tǒng)PI參數(shù)的確定依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，風(fēng)速的隨機(jī)性、變流系統(tǒng)的非線性及參數(shù)的不確定性等因素，導(dǎo)致PI參數(shù)難以整定，且存在著動(dòng)態(tài)性能不足的情況。模糊控制作為一種智能控制方式，將模糊控制與PI控制相結(jié)合可以在一定程度上改善永磁發(fā)電機(jī)的控制性能。本文將模糊控制引入永磁同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，速度外環(huán)采用模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器，經(jīng)過(guò)模糊推理得到模糊控制器的輸出量？駐Kp和？駐Ki，并將PI參數(shù)增量與原有PI參數(shù)相疊加，根據(jù)風(fēng)速的大小實(shí)現(xiàn)PI控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.1 隸屬度函數(shù)的確定

轉(zhuǎn)速環(huán)模糊PI控制器為二輸入二輸出結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)輸入為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速偏差e，另一輸入為偏差變化率ec，以PI參數(shù)變化量？駐Kp和？駐Ki為輸出。輸入誤差e的模糊論域?yàn)閁e={-3，-2，-1，0，1，2，3}，誤差變化率ec的模糊論域?yàn)閁ec={-6，-4，-2，0，2，4，6}；輸出？駐Kp和？駐Ki的模糊論域同為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。輸入輸出模糊子集語(yǔ)言變量取為{NB，NM，NS，ZR，NS，NM，NB}。其中NB隸屬度函數(shù)采用Z型，PB隸屬度函數(shù)采用S型，其他模糊子集采用三角形隸屬度函數(shù)。具體如圖3-5所示。

2.2 模糊控制規(guī)則的確定

模糊控制規(guī)則的確立以盡快消除誤差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為目的。一般情況下根據(jù)|e|的大小來(lái)確定。

當(dāng)誤差|e|較大時(shí)，為保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通常Kp選取較大值，為防止超調(diào)過(guò)大，Ki選取極小值，甚至為零；當(dāng)誤差|e|為中等大小時(shí)，為避免出現(xiàn)過(guò)大超調(diào)，Kp選較小值，Ki要選取適當(dāng)值；當(dāng)誤差|e|較小時(shí)，主要目的是保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能，Kp應(yīng)選取較小值，Ki取稍大值來(lái)減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)專家知識(shí)，通過(guò)大量仿真試驗(yàn)，建立模糊控制規(guī)則并經(jīng)適當(dāng)?shù)男薷牡玫剑狂vKp和？駐Ki模糊控制規(guī)則如表1和表2所示。

2.3 去模糊化

由模糊推理得直接得到的輸出為模糊值，在實(shí)際控制中不能直接應(yīng)用，需將模糊值通過(guò)去模糊化的方法得到精確控制量。常用的去模糊化的方法有重心法、最大隸屬度法和加權(quán)平均法。重心法相比于其他兩種方法計(jì)算復(fù)雜，但計(jì)算結(jié)果相對(duì)精確。本文選擇重心法作為去模糊化的方法，計(jì)算方法為：

3 仿真結(jié)果分析

本文選擇兩種典型輸入來(lái)驗(yàn)證控制策略的可行性，風(fēng)速輸入采用典型的漸變風(fēng)速和階躍風(fēng)速。圖8為漸變風(fēng)速時(shí)，PI控制器和模糊PI控制器得到的參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線；圖9為階躍風(fēng)速下，PI控制器和模糊PI控制器得到的參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線。

從圖8仿真曲線可以看出，風(fēng)速在1-2s發(fā)生漸變時(shí)，模糊PI控制下的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能更好的跟蹤參考轉(zhuǎn)速，從圖9曲線可以看出風(fēng)電機(jī)組在啟動(dòng)和1s風(fēng)速發(fā)生突變時(shí)，采用模糊PI控制響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更低，在更短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能迅速收斂至參考轉(zhuǎn)速值。仿真結(jié)果表明，模糊PI控制器克服了PI參數(shù)難整定的缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)輸入對(duì)PI參數(shù)整定，有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程及機(jī)側(cè)變流器控制原理，針對(duì)機(jī)側(cè)變流器雙閉環(huán)控制中PI參數(shù)整定依賴精確的數(shù)學(xué)模型難整定，且固定的PI參數(shù)無(wú)法很好適應(yīng)風(fēng)速變化的缺點(diǎn)，本文通過(guò)模糊推理實(shí)時(shí)整定PI參數(shù)。仿真結(jié)果表明模糊PI控制器響應(yīng)速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性優(yōu)于PI控制器。

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