基于模糊PI雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究

馬曉彤 田濤

（華北電力大學(xué) 北京市 102206）

1 引言

隨著近幾十年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐步在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。隨著風(fēng)電場單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響也越來越大，因此保證風(fēng)電輸入電網(wǎng)的電力質(zhì)量，減少對電網(wǎng)的影響和污染至關(guān)重要。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，網(wǎng)側(cè)變流器直接與電網(wǎng)相連，保證交流測單位功率因數(shù)運(yùn)行以及直流母線電壓的穩(wěn)定。因此，網(wǎng)側(cè)變流器的控制效果直接決定輸入電能質(zhì)量的好壞[1]。

Simulink 是 MATLAB 很強(qiáng)大的功能組件，廣泛用于系統(tǒng)建模、仿真和分析。本文以Simulink 為設(shè)計(jì)平臺(tái)，在基于電壓矢量定向的電壓電流雙閉環(huán)PI 控制的基礎(chǔ)上，使用Fuzzy logic designer 工具箱設(shè)計(jì)構(gòu)建模糊控制器，對外環(huán)電壓的PI 控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，將優(yōu)化后的控制器應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中，從而有效提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)化網(wǎng)側(cè)變流器的控制效果[2]。

2 網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型及控制原理

網(wǎng)側(cè)變流器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，通常采用三相電壓源PWM 變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)三相電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic為網(wǎng)側(cè)三相電流，R、L 為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電阻和電感，C 為直流母線電容，Udc為直流母線電壓，idc為主電路開關(guān)輸出直流電流，iload為負(fù)載電流。

為了方便設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，更好的實(shí)施控制策略，需要對PWM變流器時(shí)變模型進(jìn)行坐標(biāo)變換。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中變換得到的數(shù)學(xué)模型：

其中：id、iq分別為交流側(cè)電流的d、q 軸分量；ud、uq分別為電網(wǎng)電壓的d、q 軸分量；sd、sq分別為開關(guān)狀態(tài)的d、q 軸分量。調(diào)節(jié)id、iq就能分別控制網(wǎng)側(cè)PWM 變流器吸收的有功功率和無功功率，從而達(dá)到有功和無功的解耦目的[3]。

3 模糊控制器

在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于外界條件的變化，如果僅采用PI控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)需求，模糊-PI 控制器是使用誤差信號(hào)及其微分作為輸入信號(hào)的泛化傳統(tǒng)PI 控制器,因此，模糊PI 中的模糊系統(tǒng)輸出的是給定參數(shù)的調(diào)整值，所以應(yīng)該給定一組初始參數(shù)，在此基礎(chǔ)上不斷調(diào)整再輸入到PI 控制系統(tǒng)中。模糊-PI 控制器的優(yōu)點(diǎn)是它沒有一個(gè)特定的操作點(diǎn)。規(guī)則對測得值和設(shè)定值之間的差（誤差信號(hào)）進(jìn)行評(píng)估。此外，規(guī)則還對誤差信號(hào)的趨勢進(jìn)行評(píng)估，以決定增大或減小控制變量。命令變量的絕對值并無影響。較傳統(tǒng)PI 控制器而言，模糊-PI 控制器的另一優(yōu)點(diǎn)是它能實(shí)現(xiàn)非線性控制策略以及它使用的是語言規(guī)則。誤差變小時(shí)，可根據(jù)模糊-PI控制器本身判斷誤差趨勢。因此模糊PI 控制器較傳統(tǒng)的PI 控制器能夠達(dá)到更多樣的控制效果[4]。

圖1：網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)框圖

圖2：模糊控制流程圖

圖3：誤差隸屬函數(shù)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖4：Kp 的隸屬度函數(shù)以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖5：模糊控制規(guī)則界面

圖6：Kp 輸入輸出三維顯示圖

圖7：網(wǎng)側(cè)變流器控制模型仿真圖

圖8：模糊PI 控制仿真圖

圖9：加模糊控制器前直流環(huán)節(jié)電壓波形圖

模糊控制器主要由三個(gè)模塊組成：模糊化，模糊推理，清晰化。模糊控制的流程圖如下圖2所示。

4 仿真模型的搭建

首先打開Simulink 工具中的Fuzzy Logic Designer 工具箱，將電流偏差e 和電流偏差變化率 都進(jìn)行模糊量化處理，量化后的數(shù)據(jù)作為模糊控制器的兩個(gè)輸入量，然后根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，并將推理后的模糊值解模糊化后再乘以比例因子轉(zhuǎn)換為△kp、△ki，將得到的△kp、△ki與原值相加得到新的kp、ki參數(shù)。

在模糊化過程中，將精確數(shù)值e、△e、△kp、△ki劃分為｛正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（Z）、負(fù)小（NS）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）的模糊子集合｝，隸屬度函數(shù)圖形越尖銳，代表輸出對輸入變化反應(yīng)越靈敏，會(huì)加大實(shí)際偏差；隸屬度函數(shù)圖形越平滑，代表輸出對輸入波動(dòng)反應(yīng)越遲鈍，與實(shí)際偏差也會(huì)越小。因此選取中間五條隸屬函數(shù)為三角函數(shù)，最左邊為Z 型性函數(shù)，最右邊為S型函數(shù)。如圖3和圖4所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)以及專家經(jīng)驗(yàn)指定的模糊規(guī)則如表1和表2所示。

模糊控制結(jié)果如圖5，圖6所示。圖5為模糊控制設(shè)計(jì)器規(guī)則界面，圖6為輸入輸出的三維顯示。

表1：kp 的模糊規(guī)則表

表2：ki 的模糊規(guī)則表

圖10：加模糊控制器后直流環(huán)節(jié)電壓波形圖

圖11：三相電流波形圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

在Simulink 中搭建網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型，系統(tǒng)仿真控制模型如圖7所示。其中設(shè)置直流電壓的參考值為1100V。

其中控制子系統(tǒng)模糊控制PI 部分模塊如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)中加模糊控制器前后直流環(huán)節(jié)母線電壓如圖9和圖10所示，由兩圖對比可看出，雖然二者穩(wěn)定后都基本維持在1100V 左右，無大幅波動(dòng)，滿足電網(wǎng)要求，但是后者波形在穩(wěn)定前明顯比前者更光滑，說明加了模糊控制器以后對直流電壓的控制效果更好。網(wǎng)側(cè)三相電流呈正弦波形，如圖11所示。

6 結(jié)論

本文提出了PI 控制的網(wǎng)側(cè)變流器新控制方法，即加入了模糊控制器，通過對網(wǎng)側(cè)變流器的外環(huán)電壓環(huán)節(jié)的PI 控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，來提高直流電壓的動(dòng)態(tài)性能。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制效果達(dá)到預(yù)期，提高了模糊控制器的魯棒性和控制精度。仿真表明對提高直流母線電壓的穩(wěn)定性有比較明顯的效果。但是實(shí)驗(yàn)中也存在問題，即加入模糊控制器后會(huì)大大降低仿真速度，收斂速度較于不加模糊控制器的收斂速度明顯變慢，未來還會(huì)對如何提高模糊控制器的仿真速度進(jìn)一步研究。