李樹江 周 玲

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

1 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于繞線式異步發(fā)電機(jī)，在連接上，它的轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙向變頻器接到電網(wǎng)上，雙向變頻器充當(dāng)交流勵磁裝置，進(jìn)行交流勵磁，定子側(cè)是直接接在電網(wǎng)上，定子和轉(zhuǎn)子兩側(cè)都能與電網(wǎng)進(jìn)行能力的饋送，“雙饋”由此得來。它之所以能被得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗染哂挟惒桨l(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具有同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步機(jī)一樣，具有獨(dú)立的勵磁裝置，該勵磁裝置是由電力電子器件組成的，通過調(diào)節(jié)勵磁電壓的頻率、幅值、相位等控制系統(tǒng)的有功和無功。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其優(yōu)良的特性，具有良好的發(fā)展前景。

許多文獻(xiàn)采用不同的控制方法對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，文獻(xiàn)[1]、[2]和[3]對功率控制采用的是普通PI控制，其控制性能的優(yōu)劣和PI控制器參數(shù)選擇有很大關(guān)系，系統(tǒng)自適應(yīng)能力差，文獻(xiàn)[4]采用的是常規(guī)模糊控制，由于模糊控制的不精確，系統(tǒng)存在一定的誤差。而且雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是很復(fù)雜的系統(tǒng)，風(fēng)速的突然變化捕獲到不同的功率使得發(fā)電機(jī)運(yùn)行在不同的工況下，不同工況定會引起電機(jī)參數(shù)的變化，并且系統(tǒng)在運(yùn)行時存在干擾，而文獻(xiàn)[1]、[2]和[4]沒有將這些因素考慮進(jìn)去。

針對前面控制器存在的問題，自適應(yīng)能力差以及控制精度不高，根據(jù)模糊控制器的本質(zhì)就是插值器，采用變論域模糊控制形式可以使模糊控制達(dá)到高精度的控制效果[5]。本文設(shè)計(jì)了一套基于變論域模糊控制的高性能雙饋發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率解耦控制系統(tǒng)，基于Matlab/Smulink環(huán)境，在不同工況、參數(shù)改變情況下進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明基于變論域模糊控制策略是可行的，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，并具有自適應(yīng)能力強(qiáng)和控制精度高的良好動態(tài)特性。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本模型

當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子采用電動機(jī)慣例規(guī)定正方向，則可得雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[6-7]：

電壓方程：

2.2 基于定子磁場定向的矢量模型

矢量控制技術(shù)是交流電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制的核心，而矢量控制的核心是要對電機(jī)定子電流的兩個正弦交變分量進(jìn)行獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)[8]。鑒于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)是直接接電網(wǎng)，則定子側(cè)電壓等于電網(wǎng)電壓，定子側(cè)相對比較穩(wěn)定，因此本文采用了定子磁場定向的矢量控制技術(shù)，即定子磁鏈ψs的方向與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d軸的方向一致，則有ψs=ψsd，ψsq= 0，在正常工作狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的定子繞組的電阻相對于它的電抗要小的多，可以忽略不計(jì)，即Rs=0；電網(wǎng)電壓矢量比定子磁鏈?zhǔn)噶砍?00，正好在q軸的正反向上，所以有usd= 0，usq=Us，其中Us為定子電壓矢量的幅值。當(dāng)電機(jī)的定子接在恒定的電網(wǎng)上時，Us為常數(shù)。由此可得：

將有功功率和無功功率當(dāng)做被控制量，則被控系統(tǒng)[9]如圖1所示。

圖1 被控系統(tǒng)框圖

2.3 基于定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化

圖2 DFIG的簡化模型

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變論域模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制具有良好的控制效果，但常規(guī)模糊控制器控制精度不高，存在穩(wěn)態(tài)誤差，而變論域模糊控制恰恰彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，它通過加入伸縮因子，根據(jù)誤差e和誤差變化率ce調(diào)整彼此的論域，其實(shí)質(zhì)就是在一定區(qū)間增加控制規(guī)則，從而達(dá)到更高精度控制。本文采用了雙輸入單輸出的變論域模糊控制器，對系統(tǒng)功率環(huán)進(jìn)行控制。

3.1 可變論域思想

控制規(guī)則對模糊控制效果的影響很大，并不是控制規(guī)則越多控制效果越好，因?yàn)樽兞窟^多，規(guī)則過于復(fù)雜，會使控制算法難以實(shí)現(xiàn)?？紤]控制的目的：使系統(tǒng)的誤差等于零或盡可能地趨于零，如果現(xiàn)在的誤差初始論域?yàn)閄=[?E，E]，隨著控制過程的動態(tài)變化，系統(tǒng)的誤差也一定在變化，那么當(dāng)誤差向零靠近時，我們?nèi)圆捎迷瓉淼恼撚蜻M(jìn)行推理控制的話，必然會造成控制精確的降低。因此，“可變論域”的思想被李洪興教授在文獻(xiàn)[5]中首次提出：所謂變論域是指論域Xi隨著變量xi的變化進(jìn)行自行調(diào)整，記之為

圖3 變論域示意圖

3.2 伸縮因子的選擇

3.3 變論域模糊控制器的設(shè)計(jì)

本文采用雙輸入單輸出的變論域模糊控制器[11]來實(shí)現(xiàn)對功率的解耦控制。有功功率變論域模糊控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，同樣對無功功率采用同樣的控制結(jié)構(gòu)。

變量的模糊化。以有功功率調(diào)節(jié)為例，模糊控制器的輸入為e(t) =Ps*?Ps和偏差變化率e˙(t) =e(t) ?e(t?1)，電流轉(zhuǎn)子側(cè)q軸電流作為輸出，考慮到系統(tǒng)會在不同工況下運(yùn)行，以及d軸會對q軸產(chǎn)生干擾，確定其初始論域分別為：[?6， 6]，[?6， 6]，[?6， 6]，其模糊子集都為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，并且各變量的隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù)。

圖4 有功功率變論域模糊控制框圖

模糊規(guī)則的確定。本系統(tǒng)采用的是雙輸入單輸出形式的變論域模糊控制器，在總結(jié)技術(shù)人員知識的基礎(chǔ)上經(jīng)過反復(fù)調(diào)試建立了合適的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

由表1可得：

模糊推理算法，在變論域模糊控制中，有三種常見的計(jì)算方法[11]：潛遺傳法、顯遺傳法和逐步顯遺傳法。本文采用的是計(jì)算量相對少的潛遺傳變論域自適應(yīng)模糊控制算法，其計(jì)算公式

解模糊，本文采用的是最常用的重心法。

4 仿真與分析

本文進(jìn)行了一系列的仿真試驗(yàn)，所使用發(fā)電機(jī)參數(shù)[6]為額定功率為2.2kW，相電壓為380V，Ls=0.156125H；Lr=0.156125H；Lm=0.148H；Rs=2.470?；Rr=2.249?。

（1）給定無功功率為500var，有功功率給定值在0到0.9s之間是1200w，在0.9s到1.8s之間為2200W。

圖5給出了參數(shù)改變前有功功率的階躍響應(yīng)及對無功功率的影響，由圖5可知，在變論域模糊控制下有功功率很好的跟蹤了設(shè)定值，在0.9s時有功功率的增加對無功功率產(chǎn)生了影響，但在變論域模糊控制的作用下無功功率很快恢復(fù)到原先設(shè)定的值，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的獨(dú)立控制。

圖5 參數(shù)改變前有功功率的階躍響應(yīng)及對無功功率的影響圖

圖6給出了參數(shù)改變后有功功率的階躍響應(yīng)及對無功功率的影響。由于在運(yùn)行過程中電機(jī)的各參數(shù)實(shí)際上是變化的，所以在試驗(yàn)過程中將電機(jī)的參數(shù)作如下變化：Ls=Lr變成原來的1/3倍；Lm原來的1/2倍；Rs和Rr變?yōu)樵瓉淼?倍。由圖6可知，雖然參數(shù)變化對有功功率和無功功率跟蹤造成了小的波動，但是仍然可以很好的跟蹤設(shè)定值。

圖6 參數(shù)改變后有功功率的階躍響應(yīng)及對無功功率的影響圖

（2）給定有功功率為2200W，無功功率給定值在0到0.9s之間是500var，在0.9s到1.8s之間為200var。

圖7給出了參數(shù)改變前無功功率的階躍響應(yīng)及對有功功率的影響，由圖7可知，在變論域模糊控制下無功功率很好的跟蹤了設(shè)定值，在0.9s時無功功率的減少對有功功率產(chǎn)生了影響，但在變論域模糊控制的作用下有功功率很快恢復(fù)到原先設(shè)定的值，實(shí)現(xiàn)了有功和無功的獨(dú)立控制。

圖7 參數(shù)改變前無功功率的階躍響應(yīng)及對有功功率的影響圖

圖8給出了參數(shù)改變后無功功率的階躍響應(yīng)及對有功功率的影響，由于在運(yùn)行過程中，電機(jī)的參數(shù)會發(fā)生變化，因此將電機(jī)的參數(shù)作如下變化：Ls=Lr變成原來的1/4倍；Lm原來的1/3倍；Rs和Rr變?yōu)樵瓉淼?倍，由圖8可知，雖然參數(shù)變化對有功功率和無功功率跟蹤造成了小的波動，但是仍然可以很好的跟蹤設(shè)定值。

圖8 參數(shù)改變后無功功率的階躍響應(yīng)及對有功功率的影響圖

變論域模糊控制器在參數(shù)變化前后都能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無功功率的解耦控制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于變論域模糊控制的高性能控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了變論域模糊控制的仿真研究和試驗(yàn)，對控制效果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)表明，在避免了參數(shù)選擇對控制系統(tǒng)影響的同時，變論域模糊控制結(jié)合了常規(guī)模糊控制技術(shù)的魯棒性和它自身的高精度性，使得整個系統(tǒng)具有良好的控制效果，提高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。

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