楊德亮 李泰 鄒博 劉海艦 王琪祥 高斌

摘 要：風力發(fā)電機組是一種復雜時變非線性系統(tǒng)，當風在額定值以上時，機械載荷能力和功率波動的范圍是影響風電機組穩(wěn)定性的重要因素。在風輪、傳動系統(tǒng)、風力電機基礎(chǔ)上建立風速雙頻環(huán)模型；并且通過低頻環(huán)PI控制變漿距系統(tǒng)來實現(xiàn)額定功率控制；高頻環(huán)設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器以減少系統(tǒng)的機械振蕩和保持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明該雙頻環(huán)優(yōu)化控制器能夠?qū)崿F(xiàn)的功率穩(wěn)定輸出，有效減少負載的擾動，同時為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 雙頻環(huán) 優(yōu)化控制 節(jié)距角

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0062-03

20世紀90年代以來，全球風能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]，風能逐步被廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。在風速低于額定值時，提高風能轉(zhuǎn)換效率是最受到人們關(guān)注的問題之一，國內(nèi)外相關(guān)學者就捕獲最大風能方面的研究已經(jīng)取得了很多的成果，常用方法是MPPT和LPV [2-3]。當風速在額定值以上時，常用到的控制方法有PI、LQG等[4-5]。但是會出現(xiàn)PI控制超調(diào)值過大、LQG控制參數(shù)過多等問題。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其在處理非線性和不確定性方面的優(yōu)勢以及自身的并行性和不依賴數(shù)學模型的獨立性，以及每個神經(jīng)元具有的非線性激活函數(shù)， 為解決風電變槳距問題提供了一種有效的方案[6-7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的并行性和硬件實現(xiàn)在變槳距中的應(yīng)用有著十分重要的理論研究和工程應(yīng)用價值[8-10]。

文中建立風輪，風機的數(shù)學模型，針對額定風速以上的情況，設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，建立了仿真模型，結(jié)果表明該方法可以有效保持功率穩(wěn)定輸出及維持風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)穩(wěn)定。為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了較好的思路。

1 風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的建模

1.1 風輪數(shù)學模型

風經(jīng)過風輪時產(chǎn)生的功率和氣動轉(zhuǎn)矩為：

（1）

（2）

其中，為空氣密度，為風輪半徑，為風速，為節(jié)距角；為葉尖速比，且，為風輪轉(zhuǎn)動的角速度；為風輪的功率系數(shù)，其表達式如下：

（3）

其中，風能利用系數(shù)隨著節(jié)距角的增加而減小。

1.2 變槳伺服系統(tǒng)

液壓式變槳伺服動態(tài)系統(tǒng)和傳遞函數(shù)可分別用一階微分方程（4）和（5）表示：

（4）

（5）

其中，為參考節(jié)距角，為變槳伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)。一般來講，為延遲時間。

1.3 雙頻環(huán)設(shè)計

雙頻環(huán)優(yōu)化控制如圖1所示。對應(yīng)風速的低頻分量和高頻脈動分量，風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的非線性模型也可以分為低頻模型和高頻模型。記為對應(yīng)的系統(tǒng)低頻變量，一般來講，也作為風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)運行點時的變量。則高頻變量為。雙頻環(huán)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟如下：

（1）測量風速值和風力發(fā)電機高速軸轉(zhuǎn)速。

（2）通過低通濾波器獲取低頻環(huán)風速，并且推出高頻環(huán)風速。

（3）通過轉(zhuǎn)速低通濾波器獲得高速軸低頻環(huán)轉(zhuǎn)速，從而得出高速軸高頻環(huán)轉(zhuǎn)速。

（4）分別將低頻環(huán)風速和低頻環(huán)轉(zhuǎn)速作為低頻環(huán)的輸入信號；將高頻環(huán)風速和高頻環(huán)轉(zhuǎn)速作為高頻環(huán)的輸入信號

（5）總的節(jié)距角通過低頻環(huán)節(jié)距角和高頻環(huán)節(jié)距角求和得出：=+。作為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制輸入。

2 變槳距控制器的設(shè)計

2.1 PI穩(wěn)定控制器設(shè)計

低頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的為使功率及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持在其額定值，采用PI控制，PI控制器的輸入分別為電機高速軸低頻轉(zhuǎn)速和低頻風速，為低頻節(jié)距角輸出。低頻環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP控制器設(shè)計

高頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的為使功率保持在其額定值，采用結(jié)構(gòu)為2-4-1的BP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入分別為高頻參考風速與實際高頻風速誤差和電機高頻轉(zhuǎn)速，網(wǎng)絡(luò)輸出為高頻節(jié)距角，BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

3 仿真分析

仿真參數(shù)如表1。

參考文獻[5]給出了低頻環(huán)PI，高頻環(huán)采用LQG控制方法，其輸出功率為如圖4所示，圖5給出了低頻環(huán)采用PI控制方法和高頻環(huán)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出功率。

調(diào)節(jié)風速在15m/s到22m/s之間變化，從而調(diào)整節(jié)距角使得功率保持在額定值1.5MW附近，實現(xiàn)了風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的恒功率輸出控制。

比較圖4和圖5可以明顯看出采用高頻環(huán)BP控制可以更加有效保持功率穩(wěn)定輸出。

4 結(jié)論

該文對額定風速以上風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙頻環(huán)優(yōu)化控制進行了研究。首先建立了風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機理模型，并將其線性化；然后根據(jù)頻率分離原理，將風速分解為低頻風速及高頻脈動風速，設(shè)計了低頻環(huán)PI控制器及高頻環(huán)BP控制器。仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的雙頻環(huán)優(yōu)化控制器能實現(xiàn)功率的恒定控制，同時將該方法與PI-LQG雙頻環(huán)控制方法進行了比較，充分證明了該方法的有效性。為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法在風能轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用上提供了一個新的思路。

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