劉慶雪，郭 濤 ，公茂法

（1.山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東青島266510；2.濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司義橋煤礦，山東濟(jì)寧272511）

1 引言

高效、清潔、多樣化是當(dāng)今世界能源發(fā)展的潮流，中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，對(duì)能源的需求增長很快，常規(guī)能源的供應(yīng)及其帶來的環(huán)境問題日益突出，隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和批量的增大，成本將會(huì)繼續(xù)下降，必然成為重要的清潔能源。

然而由于風(fēng)能具有能量密度低、隨機(jī)性和不確定性等特點(diǎn)，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，大大降低了風(fēng)力發(fā)電的效率以及可靠性和穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致發(fā)電成本升高，所以要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)加以行之有效的控制。

傳統(tǒng)的PID控制器需要首先建立一個(gè)有效的系統(tǒng)模型，而由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)模型的建立非常困難。而模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，具有控制機(jī)理和策略易于接受和理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便的特點(diǎn)，使得模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模和控制。本文的目的就是設(shè)計(jì)一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)，在風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，葉輪槳距角或發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近，并利用Matlab進(jìn)行模擬系統(tǒng)仿真和優(yōu)化［1-2］。

2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的基本原理

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止的原理，可以得出變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

式中：f1為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，因此f1與電網(wǎng)頻率相同；n1為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。

由式（2）可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率f2相應(yīng)變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。當(dāng)n＜n1時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行，變流器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)n＞n1時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行，此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)n＝n1時(shí)，f2＝0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行［3］。

3 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路如圖1所示。

由圖1可列出相應(yīng)的基本方程為：

圖1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路圖

通過分析可知，轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行于超同步速和亞同步速兩種狀態(tài)下，此時(shí)發(fā)電機(jī)能向外輸出功率，電磁功率 PM＝m1U1I1cosφ1，機(jī)械功率轉(zhuǎn)差功率，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于亞同步速時(shí)，Ps＞0，轉(zhuǎn)子從變頻電源輸入功率；當(dāng)轉(zhuǎn)子處于超同步速時(shí)，Ps＜0，轉(zhuǎn)子向變頻電源輸出功率。無論哪種情況，輸入機(jī)械功率總要克服電磁轉(zhuǎn)矩做功，同時(shí)向定子傳遞功率［4］。

4 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

被控對(duì)象是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示為風(fēng)電系統(tǒng)的模糊控制示意圖。

圖2 風(fēng)電系統(tǒng)的模糊控制示意框圖

在高于額定風(fēng)速的變槳距控制策略中，控制器的設(shè)計(jì)選用常用的二維模糊控制器，控制器的輸入量為發(fā)電機(jī)功率偏差和功率偏差變化率。在模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行中，控制器的輸入值、輸出值是有確定數(shù)值的清晰量，而在進(jìn)行模糊控制時(shí)，模糊推理過程是通過模糊語言變量進(jìn)行的，在清晰量和模糊量之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種把物理量的清晰值轉(zhuǎn)換成模糊語言變量值的過程叫做清晰量的模糊化。

4.1 語言變量隸屬函數(shù)的確定

語言變量是以自然或人工語言的詞、詞組或句子作為值的變量。在高于風(fēng)速的變槳距模糊控制器中，可以將功率偏差劃分為“功率偏差負(fù)大”、“功率偏差負(fù)中”、“功率偏差負(fù)小”、“功率偏差負(fù)零”、“功率偏差正零”、“功率偏差正小”、“功率偏差正中”、“功率偏差正大”8個(gè)部分?！肮β势睢狈Q為語言變量的變量值。語言值可用模糊集來描述。如圖3所示為風(fēng)機(jī)功率偏差變量的隸屬函數(shù)，圖3中對(duì)應(yīng)于模糊控制器的每一語言變量，必須定義它的各個(gè)語言值，即它的各個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)。一個(gè)語言變量的各個(gè)模糊集（語言值）之間并沒有明確的分界線，反映在模糊集的隸屬函數(shù)曲線上，就是這些隸屬函數(shù)必定相互重疊。在圖3中，功率偏差既可屬于“中”的范圍，也可以認(rèn)為是“低”的范圍。

圖3 風(fēng)機(jī)功率偏差變量的隸屬函數(shù)

在一個(gè)模糊控制系統(tǒng)當(dāng)中，隸屬函數(shù)之間的重疊程度直接影響著系統(tǒng)性能。選擇合適的性能，是風(fēng)機(jī)模糊節(jié)距控制器對(duì)于參數(shù)變化時(shí)具有魯棒性的原因所在。隸屬函數(shù)間不恰當(dāng)?shù)闹丿B可能最終導(dǎo)致模糊控制系統(tǒng)產(chǎn)生隨意的混亂行為，一般重疊率在0.2-0.6之間取。語言變量可以任意地劃分幾個(gè)語言值，但并不是分得越多、越細(xì)，控制的精度就會(huì)越高。所以在設(shè)計(jì)模糊節(jié)距控制器中，初始劃分的級(jí)數(shù)可取少些，在進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，根據(jù)情況再考慮增加。另外，可將三角形模糊集的“零”（ZE）固定在工作區(qū)上，而其它模糊集則向“零”靠攏，有助于提高系統(tǒng)的控制精度。

4.2 清晰量轉(zhuǎn)化為模糊量

如圖4所示為變槳距風(fēng)力機(jī)模糊節(jié)距控制器系統(tǒng)框圖。

它含有功率偏差e、功率偏差變化率△e兩個(gè)輸入量，和一個(gè)節(jié)距給定控制量u。它們都是清晰量。這3個(gè)物理量都要從物理論域通過量化轉(zhuǎn)換到整個(gè)整數(shù)域，再在整數(shù)論域給出若干語言變量值，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)論域的模糊化過程。

圖4 風(fēng)力機(jī)模糊節(jié)距控制器系統(tǒng)框圖

對(duì)于偏差e，可以把其物理論域通過量化變換到整個(gè)論域 ｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0-，0＋，1，2，3，4，5，6｝ 并?。柏?fù)大”，“負(fù)中”，“負(fù)小”，“正零”，“負(fù)零”，“正小”，“正中”，“正大”｝（NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB）8 個(gè)語言變量值檔次。各個(gè)語言變量值的隸屬函數(shù)可寫成表1所示的值，即偏差的語言變量值賦值表。

表1 偏差e的語言變量值賦值表

對(duì)于偏差△e，可以把其物理論域通過量化變換到整個(gè)論域｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，并取 ｛“負(fù)大”，“負(fù)中”，“負(fù)小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”｝（NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB）7 個(gè)語言變量值檔次。各個(gè)語言變量值的隸屬函數(shù)如表2的形式。

表2 功率偏差變化率△e

4.3 模糊控制器控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)模糊節(jié)距控制器的控制規(guī)則時(shí)，必須考慮控制規(guī)則的完整性、交叉性、和一致性。完備性值指對(duì)于任意給定的輸入，均有相應(yīng)的控制規(guī)則起作用。要求控制規(guī)則的完備性是保證系統(tǒng)能被控制的必要條件之一?？刂破鞯妮敵鲋悼傆蓴?shù)條控制規(guī)則來決定，說明控制規(guī)則之間是相互聯(lián)系、相互影響的。即控制規(guī)則之間的交叉性，可以產(chǎn)生復(fù)雜的控制曲面，得到更好的控制性能。其控制規(guī)則如表3所示。

表3 模糊控制規(guī)則表

5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的Simulink仿真結(jié)果

如圖5所示為模糊控制系統(tǒng)模型，信號(hào)源取階躍信號(hào)，模糊控制器載入先前保存至工作區(qū)的高風(fēng)速模糊控制器。該仿真旨在觀測(cè)模糊控制器跟隨性能。

圖5 模糊控制系統(tǒng)模型

仿真的系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)參數(shù)為額定功率P＝7.5kW，額定轉(zhuǎn)速 n＝1500r／min，額定電壓 U＝380V。其他參數(shù)為槳葉半徑為R＝3.24m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝3.5kg·m2，額定風(fēng)速為 10m ／s。由于高階系統(tǒng)的特性在一定條件下可以用二階系統(tǒng)的特性來表示，被控對(duì)象的模型可以表示為：

根據(jù)變槳距功率控制一般要求誤差小于額定功率的10%，即±10%。根據(jù)該規(guī)則可以設(shè)置增益量，量化因子即圖5中的增益Gain、Gain1、Gain2，以使輸入量恰好覆蓋［-6，＋6］的范圍。量化因子計(jì)算方法如下。

Kpe＝6：誤差變化最大范圍＝ Gain；Kcpe＝6：誤差變化率范圍＝Gain1；Ku＝6：輸出變化范圍＝Gain2。

模糊控制系統(tǒng)模型如圖5所示。當(dāng)風(fēng)速分別為v＝6m／s和20m／s時(shí)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率前，異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率仿真分別如圖6、7所示。

圖6 風(fēng)速V＝6m／s時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率

圖7 風(fēng)速V＝20m／s時(shí)異步電動(dòng)機(jī)輸出的功率

由仿真結(jié)果可以看出，模糊控制器能有效地抑制輸出功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在起始階段的超調(diào)和波動(dòng)，且能較快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)，較好地實(shí)現(xiàn)控制要求。

［1］周燕莉.風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.甘肅科技，2009，24（9）.

［2］王長貴，崔容強(qiáng)，周 草.新能源發(fā)電技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2003，19-27.

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