尹東陽(yáng)　盛義發(fā)

摘 要：針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組非線性、時(shí)變性的問(wèn)題，提出采用模糊PID控制器作為變槳距控制器，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，依據(jù)風(fēng)速變化情況調(diào)整槳距角，從而使風(fēng)電機(jī)組保持恒功率輸出，最后在MATLAB平臺(tái)上搭建仿真模型。結(jié)果表明，采用模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制具有更好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)誤差，能夠優(yōu)化變槳距控制方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；變槳距控制器，模糊控制；MATLAB仿真

Abstract：Aiming at the problems of nonlinear， time-varying in the wind turbines， Fuzzy PID controller is established as a variable pitch controller. Pitch angle is adjusted according to wind speed to keep constant power output when the wind speed is higher than the rated wind speed。Finally，building the simulation model in the MATLAB platform.Results show，F(xiàn)uzzy PID controller has better dynamic performance and static error than the traditional one. It can optimize the variable pitch control method.

Key words：Wind turbines；Variable pitch controller；fuzzy logic control；The MATLAB simulation

1 引言

風(fēng)速的隨機(jī)性和不確定性，使得風(fēng)速跟蹤、預(yù)測(cè)以及風(fēng)電機(jī)組的控制成為風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。模糊PID控制將常規(guī)PID控制與模糊控制相結(jié)合，具有控制精度高、控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、超調(diào)量小以及能夠消除靜態(tài)誤差的特性，在風(fēng)電機(jī)組控制應(yīng)用中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[2-3]。對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，變槳距調(diào)節(jié)能更大程度地獲取風(fēng)能且輸出功率平穩(wěn)，因此，深入研究基于模糊PID的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制方法具有實(shí)際的工程應(yīng)用意義。

2 風(fēng)電機(jī)組的建模

常用的風(fēng)電機(jī)組一般分為風(fēng)輪、傳動(dòng)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、變槳四個(gè)子系統(tǒng)。為了定量分析發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)特性，建立其物理模型，如下：

2.1 風(fēng)輪模型

假設(shè)軸向流過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速為v（m/s），風(fēng)輪捕獲功率和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為[4]：

其中，ρ為空氣密度（kg/m3），A為風(fēng)輪的面積（m2），R為風(fēng)輪半徑（m），Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（rad/s）。

風(fēng)能利用系數(shù)帶包風(fēng)輪吸收風(fēng)能的能力，一般用如下關(guān)系式表示：

從式（3）和式（4）可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)隨槳距角的增大而減小，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角限制風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能達(dá)到恒功率控制的目的。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的剛性軸模型可表示為[5]：

其中，Jm、Je：風(fēng)輪、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/m2），G：齒輪箱增速比，ωr：風(fēng)輪角速度（rad/s），Te、Tα：發(fā)電機(jī)電磁力矩和風(fēng)輪氣動(dòng)力矩（N/m），B：傳動(dòng)系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)。

2.3 雙饋異步發(fā)電機(jī)模型

假設(shè)討論的異步雙饋電機(jī)為理想電機(jī)，忽略磁滯、鐵磁飽和、定轉(zhuǎn)子齒槽和渦流影響[6]。有

g為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，m1為電源相數(shù)，U1為電網(wǎng)電壓（V），ω1為發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（rad/s），C1為修正系數(shù)，r1、x1為定子繞組的電阻和漏抗（Ω），r2、x2為歸算到轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗（Ω）。

2.4 變槳距系統(tǒng)模型

考慮到變槳距系統(tǒng)的時(shí)滯特性，選擇帶遲延的一階慣性環(huán)節(jié)模擬變槳距機(jī)構(gòu)，得傳遞函數(shù)[7]：

Tβ、τ分別為時(shí)間常數(shù)和遲延時(shí)間（s），βref為參考槳距角（?）。

3 模糊PID變槳距控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制的基本原理

模糊控制首先是由加利福利亞大學(xué)教授L.A.Zadeh[8]提出，將模糊集合論、模糊語(yǔ)言和模糊邏輯推理相結(jié)合的計(jì)算機(jī)智能控制的方法。模糊控制的基本思想是將微機(jī)獲取的中斷采樣精確值與給定值相比較得到偏差信號(hào)e，并且將e、ec的準(zhǔn)確值模糊化為模糊量E、EC，用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示偏差e、ec的模糊量，得到模糊語(yǔ)言子集，再依據(jù)模糊推理的合成規(guī)則對(duì)模糊子集和模糊關(guān)系進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量 最后反模糊化得到精確控制值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)被控過(guò)程的精確控制[9]。

3.2 模糊PID變槳距控制器的設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組采用傳統(tǒng)的PID控制器時(shí)，在高于額定風(fēng)速的情況下呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性，穩(wěn)定工作區(qū)域具有局限性；且PID控制的慣性和延遲特性，可能在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中給電網(wǎng)造成較大的沖擊。采用模糊控制時(shí)，控制精度較差，且難以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)事先給定的偏差閾值，結(jié)合模糊控制和PID控制事先模糊PID控制，在較大偏差范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，在較小偏差非為內(nèi)切換至PID控制，可消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而達(dá)到良好的控制效果。其具體控制過(guò)程如圖1所示：

首先，風(fēng)電機(jī)組輸出功率的負(fù)反饋與額定功率差值比較，進(jìn)行模糊控制，對(duì)槳矩角進(jìn)行初步的調(diào)整；接著，PID控制器根據(jù)模糊控制的輸出，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而通過(guò)雙負(fù)反饋達(dá)到調(diào)整槳距角的效果。

模糊控制器設(shè)置的關(guān)鍵是建立合適的模糊判定規(guī)則表，本文中設(shè)定輸入功率誤差E，其誤差導(dǎo)數(shù)為DE，模糊輸出槳距角β的5個(gè)模糊子集分別表示正中、正小、近零、負(fù)小、負(fù)中。分別用PM、PS、ZO、NS、NM表示，模糊判定規(guī)則表如表1所示。一般根據(jù)設(shè)計(jì)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)給出。

4 仿真結(jié)果與分析

仿真所用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：額定功率1.5MW，風(fēng)輪直徑64m，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定風(fēng)速19m/s，風(fēng)輪機(jī)切入風(fēng)速 3m/s，切出風(fēng)速28m/s，空氣密度1.225kg/m3，β角調(diào)整范圍0～25?，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為6.27×104kg·m2。

設(shè)定模糊控制器的主要參數(shù)為：E的論域[-105，105]，DE論域[-2×104，2×104]，β論域?yàn)閇-25?，25?]。取高斯函數(shù)為模糊模糊集的隸屬函數(shù)。

在MATLAB中用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的120s風(fēng)速曲線如圖2所示，可以看出，風(fēng)速是一條無(wú)規(guī)律、不規(guī)則變化的曲線。本文只是對(duì)額定風(fēng)速以上的變槳距恒功率控制進(jìn)行研究，因此，產(chǎn)生的風(fēng)速值均大于19m/s。

將此風(fēng)速值進(jìn)行模糊化后作為模糊PID變槳距控制器的輸入，得到變槳距調(diào)節(jié)曲線如圖3所示

從圖3可以看出，采用模糊PID控制器對(duì)槳距角的調(diào)節(jié)范圍在規(guī)定角度以內(nèi)，并且調(diào)節(jié)角度比較準(zhǔn)確，波動(dòng)相對(duì)較小，可以滿足控制系統(tǒng)對(duì)槳距角調(diào)節(jié)的要求。

在給出的風(fēng)速條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率曲線如圖4所示。

輸出功率保持在額定功率1.5MW附近，波動(dòng)范圍較小，在10%誤差以內(nèi)，并且響應(yīng)速度較快，基本上滿足恒功率控制要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組非線性、多變量的特性，在額定風(fēng)速以上，設(shè)計(jì)模糊PID控制器調(diào)節(jié)槳距角，是輸出維持在額定功率附近保持恒功率輸出。仿真結(jié)果表明，本文提出的模糊PID控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，其變槳過(guò)程穩(wěn)定，具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

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