盧秀和,耿聰

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

1 引言

針對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)槳距調(diào)節(jié)控制器的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜,受參數(shù)變化和外部干擾嚴(yán)重,具有非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)反饋控制器時(shí),?；趯?duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)模型求逆的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),此時(shí)雖然能獲得較理想的調(diào)節(jié)性能,但是這種逆模型受過(guò)程內(nèi)在的限制一般不易實(shí)現(xiàn)。而內(nèi)模控制由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制性能好且具有系統(tǒng)分析方面的優(yōu)越性等,已成為提高常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的有力工具。但在實(shí)際系統(tǒng)中由于需要加入過(guò)程模型模塊,而使其又具有一定的應(yīng)用難度。內(nèi)模控制的PID(IMC-PID)控制不僅降低了內(nèi)?？刂茟?yīng)用的難度,而且與經(jīng)典PID控制相比,內(nèi)模控制僅有一個(gè)整定參數(shù),參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確,對(duì)解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制分析具有明顯的優(yōu)越性[1]。

2 變槳距控制器的IMC-PID數(shù)學(xué)模型建立

風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)以后,由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對(duì)快速變化的風(fēng)速,僅通過(guò)改變槳葉節(jié)距角(以下稱為槳距)來(lái)控制輸出功率的效果并不理想。因此,本文設(shè)計(jì)的變槳距控制器在進(jìn)行發(fā)電機(jī)功率控制的過(guò)程中,其功率反饋信號(hào)不再作為直接控制槳距的變量,而是由風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為變槳距控制的基本參量。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái),轉(zhuǎn)速降低時(shí),再將動(dòng)能釋放出來(lái),并跟隨優(yōu)化的槳距和風(fēng)速關(guān)系,控制風(fēng)機(jī)槳距從而使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)?；诖嗽淼臉嗫刂破鹘Y(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。它是一個(gè)多變量耦合的控制過(guò)程,為引入IMC-PID控制,先對(duì)部分參變量進(jìn)行線性化處理以實(shí)現(xiàn)解耦[2]。

圖1 變槳距控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Variable pitch controller structure diagram

由圖1中可看出葉尖速優(yōu)化曲線是槳距與風(fēng)速的二次曲線。在低于額定功率的情況下,為了通過(guò)捕捉最佳的葉尖速來(lái)對(duì)槳距進(jìn)行控制,可將其近似為一個(gè)分段線性曲線的組合形式,即可以等效成在控制對(duì)象之前,加入一個(gè)增益可變的比例環(huán)節(jié),且設(shè)比例系數(shù)為Kw。

根據(jù)經(jīng)典PID方法,對(duì)控制過(guò)程傳遞函數(shù)進(jìn)行參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)值,可設(shè)計(jì)出其控制對(duì)象的模型為

因?yàn)槭羌儨筮^(guò)程所以加入了e-4s。引入 IMC控制,假設(shè)模型沒(méi)有誤差,其IMC控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可表示成圖2結(jié)構(gòu)形式[3]。

圖2 IMC-PID變槳距控制器傳遞函數(shù)框圖Fig.2 IMC-PID variable pitch controller transfer function block diagram

對(duì)純滯后時(shí)間采用一階Pade近似處理,得內(nèi)部模型為

對(duì)內(nèi)部模型進(jìn)行分解

可得到理想控制器:

所以根據(jù)IMC-PID控制方法得到的控制器傳函為

可以看出基于此控制思想設(shè)計(jì)的控制器就等同于經(jīng)典PID控制模式,設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)單,不過(guò)分依賴于被控對(duì)象,參數(shù)單一,調(diào)整方向明確,比較適合于對(duì)該變槳距控制器的實(shí)際控制[3]。

3 基于DSP的變槳距控制器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

DSP具有很高的運(yùn)算速度和很好的性價(jià)比,能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速運(yùn)算完成各種反饋算法。本設(shè)計(jì)選用的 TMS320LF2407A是可以為高性能傳動(dòng)控制提供先進(jìn)、可靠、高效的信號(hào)處理與控制的硬件,有利于提高控制器的效率和性能。變槳距控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 變槳距控制器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Variable pitch controller hardware structure diagram

由于要跟隨槳距和風(fēng)速的優(yōu)化關(guān)系曲線,來(lái)達(dá)到發(fā)電機(jī)恒功率輸出的控制目的,因此需要對(duì)風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流及槳距這幾個(gè)變量進(jìn)行檢測(cè)。其中由風(fēng)杯獲得的風(fēng)速信號(hào)、由霍耳傳感器獲得的定子電流信號(hào)及由差動(dòng)變壓器獲得的槳距信號(hào)經(jīng)由A/D調(diào)理電路后通過(guò)DSP內(nèi)置的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的檢測(cè)采用光電編碼器,而利用DSP特有的輸入捕獲功能可以很容易地檢測(cè)出編碼器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào),而且可以通過(guò)CAP1與CAP2的相位分辨出正、反轉(zhuǎn)。

基于檢測(cè)到的參變量,結(jié)合IMC-PID控制數(shù)學(xué)模型,追隨槳距和風(fēng)速的變化規(guī)律,依靠DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理,通過(guò)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)Tf達(dá)到控制目的。系統(tǒng)的輸出包括兩方面:一方面是對(duì)槳距的調(diào)整;另一方面輸出是對(duì)逆變器的控制信號(hào)。其中輸出的槳距控制信號(hào)經(jīng)由光電隔離裝置后作用于槳距液壓驅(qū)動(dòng)裝置,完成對(duì)槳距的調(diào)整;逆變器的控制信號(hào)則是來(lái)自DSP事件管理器產(chǎn)生的空間矢量PWM波,它可以使在三相交流電機(jī)的繞組中產(chǎn)生的電流諧波失真最小,更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

本設(shè)計(jì)變槳距控制器同時(shí)具有實(shí)時(shí)操作顯示及上位機(jī)通訊功能。由ST7920液晶顯示屏完成控制器命令和參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示,并通過(guò)4×4鍵盤(pán)完成對(duì)控制器的人工現(xiàn)場(chǎng)操作。同時(shí)也可通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議完成與上位機(jī)的通訊。另外,控制器具有過(guò)電流及過(guò)電壓保護(hù)功能,在檢測(cè)到由于外界原因而使電壓或電流急劇上升而導(dǎo)致控制器不能正常運(yùn)行的時(shí)候,會(huì)自動(dòng)停止控制并發(fā)出報(bào)警信息。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件方面可分為3部分:1)與上位機(jī)通訊,完成人機(jī)交互界面的程序設(shè)計(jì);2)基于反饋量應(yīng)用控制算法的程序設(shè)計(jì);3)對(duì)控制器實(shí)時(shí)保護(hù)的程序設(shè)計(jì)?？刂瞥绦蚩驁D如圖4所示。

當(dāng)控制器通電,首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后執(zhí)行循環(huán)掃描是否有控制命令輸入,并同時(shí)開(kāi)啟保護(hù)程序。保護(hù)程序通過(guò)使用定時(shí)器中斷,每5 s檢測(cè)一次系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù),若有異常,判斷故障類型給出故障顯示,終止控制器運(yùn)行。由于通過(guò)定時(shí)器控制在后臺(tái)運(yùn)行,不影響其他程序的正常運(yùn)行。當(dāng)控制器接到控制命令后先判斷是要進(jìn)行上位機(jī)通訊還是對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖4 控制器軟件流程圖Fig.4 Controller software flow chart

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制程序中,首先對(duì)風(fēng)速、槳距、電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行整合計(jì)算,依據(jù)槳距和風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)表,結(jié)合IMC-PID控制算法,計(jì)算出輸出控制量,給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)。由于與經(jīng)典PID算法相比僅需要對(duì)一個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)整,因此軟件算法設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便,并且控制效果更為直接、快速。

4 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)基于IMC-PID的控制思想,分析并構(gòu)造出IMC-PID變槳距控制器。依據(jù)傳遞函數(shù),在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中搭建控制器的仿真模型,如圖5所示。

圖5 控制器仿真模型Fig.5 Controller simulation model

在階躍信號(hào)輸入下,IMC-PID控制器與經(jīng)典PID控制器的仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。其中經(jīng)典PID控制器所選取的參數(shù)為:KP=1,Ti=2,Td=2;IMC-PID控制器參數(shù)分別為:Kw=1,且分別取 Tf=0.1,0.5,1.2,2.5,4種情況[4]。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出:IMC-PID控制要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典的PID控制,且具有超調(diào)小于1%,響應(yīng)速度在3～8 s范圍內(nèi),系統(tǒng)魯棒性好等特點(diǎn),同時(shí)也看出,在IMC-PID控制中,只整定單一的濾波時(shí)間常數(shù)Tf即可,且在0.1～2.5 s范圍內(nèi),隨著Tf的減少,可明顯提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但系統(tǒng)魯棒性與 Tf成反比降低,故本系統(tǒng)綜合考慮,選取 Tf=1.2。

圖6 經(jīng)典PID與 IMC-PID控制仿真對(duì)比曲線Fig.6 Classic PID and IMC-PID control simulation comparison curves

同時(shí)對(duì)參數(shù)為:風(fēng)輪直徑1.5m,額定風(fēng)速10 m/s,額定功率5 kW的風(fēng)機(jī)模型的輸出功率特性進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線Fig.7 Wind turbine power output curves

由仿真結(jié)果可以看出,不管槳距如何大范圍的變化,電機(jī)的輸出功率仍可以維持恒定,體現(xiàn)了變槳距控制器的穩(wěn)定性好,對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度快,準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在時(shí)變性、耦合性以及模型復(fù)雜不便于設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制等方面的問(wèn)題,通過(guò)采用內(nèi)模 PID理論和參數(shù)整定的方法,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)模型,并分析得出了通過(guò)只整定濾波時(shí)間常數(shù)——這一單參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破鞯囊环N簡(jiǎn)捷內(nèi)模PID控制方法,同時(shí)設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制器。結(jié)合實(shí)際參數(shù)和Matlab方法,與普通的PID控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的可行性。仿真結(jié)果表明,基于該控制器控制的風(fēng)機(jī)輸出功率恒定,且控制過(guò)程具有超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好等明顯的優(yōu)點(diǎn),為推廣到多參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)上應(yīng)用提供了可借鑒的思路。

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