竇真蘭，吳國祥，趙金良

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437;2.江蘇南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019;3.上海電氣輸配電集團(tuán)，上海 200042)

0 引言

風(fēng)能作為可再生的綠色能源，已經(jīng)受到世界各國的普遍重視，成為了最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。變槳距控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過控制動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉迎風(fēng)面與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角(即槳距角)，以改變槳葉的升力和阻力。相應(yīng)的變槳距控制系統(tǒng)在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，其變槳控制器將槳葉的槳距角置于零度附近，不做變化，近似等同于定槳距調(diào)節(jié);在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距控制作用，調(diào)節(jié)槳葉槳距角，將輸出功率限制在額定值附近;在緊急故障時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角使槳葉順槳，降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，減小對風(fēng)力機(jī)負(fù)載的沖擊，提高系統(tǒng)壽命?？傊?，變槳控制技術(shù)大大提高了整個(gè)風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量［1-2］。據(jù)最新資料顯示，Nordex公司的N90-2500 kW風(fēng)電機(jī)組、GE公司的3.6 MW風(fēng)電機(jī)組、Repower公司的5 MW風(fēng)電機(jī)組等都采用電動(dòng)變槳系統(tǒng)。

電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)常采用位置、速度和電流三閉環(huán)的永磁同步電機(jī)(PMSM)控制系統(tǒng)，其位置控制器直接影響系統(tǒng)的定位控制和位置跟蹤性能。PMSM本身具有非線性、強(qiáng)耦合特性，對外部槳葉負(fù)載擾動(dòng)和參數(shù)變化比較敏感，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。此外，變槳控制系統(tǒng)還同時(shí)面臨著許多不確定的外部干擾因素，如風(fēng)剪切、湍流、塔影等。在系統(tǒng)控制方面要求位置控制器在位置偏差偏大時(shí)能夠快速跟蹤，位置偏差偏小時(shí)能夠平滑運(yùn)行并精確定位。變槳控制系統(tǒng)的這些特點(diǎn)對控制器性能提出了較高的要求。

常規(guī)的PID很難滿足變槳控制系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)以及定位精度高等特性，且不受參數(shù)變化和外界擾動(dòng)的影響。為了克服這一缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［3］采用模糊控制策略，提出將論域縮小，采用多層模糊控制器等，使輸入輸出特性趨于平緩，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，優(yōu)點(diǎn)是無需建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，對被控對象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對干擾后噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性，但是其本身消除系統(tǒng)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度;文獻(xiàn)［4］提出采用滑模模糊控制，雖然具有較強(qiáng)的抗參數(shù)擾動(dòng)能力，但是無法消除抖動(dòng)問題;文獻(xiàn)［5］提出單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，主要是在忽略PMSM非線性因素的情況下，采用線性控制策略控制PMSM，在一定程度上對負(fù)載擾動(dòng)具有魯棒性，但在很多情況下不能達(dá)到理想的暫態(tài)性能;文獻(xiàn)［6］采用模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)策略，以參考模型的輸出調(diào)整控制規(guī)律來適應(yīng)控制過程中參數(shù)的變化、干擾等不確定因素，在一定程度上獲得了較為滿意的控制效果，但是當(dāng)控制系統(tǒng)及控制目標(biāo)發(fā)生較大程度的改變時(shí)，MRAC往往由于參考模型固定、無法調(diào)節(jié)，而導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能的下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定［7］。

針對以上控制策略的不足，本文綜合模糊控制和PI控制策略，設(shè)計(jì)一種基于模糊推理的自調(diào)整PID的電伺服變槳控制系統(tǒng)的位置控制器，它通過模糊規(guī)則推理與決策，在線自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)(每次在線修改PID三個(gè)參數(shù)時(shí)只需模糊推理判斷一次)，不僅使變槳控制系統(tǒng)控制靈活、控制精度高、實(shí)時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且還能抑制各種非線性、參數(shù)時(shí)變等因素對變槳控制系統(tǒng)的影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。在獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，搭建了電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電伺服獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和快速跟蹤。

1 變槳距載荷計(jì)算和伺服電機(jī)選型

電伺服獨(dú)立變槳系統(tǒng)由變槳控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和備用電源系統(tǒng)組成，三個(gè)槳葉可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳［8-9］。當(dāng)電伺服變槳距系統(tǒng)上電后，伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，而小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)相嚙合，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與槳葉一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了槳距控制。

槳葉作為被控對象，是伺服閉環(huán)控制的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到伺服電機(jī)的選型以及伺服控制策略的有效性，因此準(zhǔn)確計(jì)算變槳距載荷，建立槳葉負(fù)荷模型對獨(dú)立變槳系統(tǒng)的電伺服驅(qū)動(dòng)控制器研究至關(guān)重要。同時(shí)只有確定風(fēng)機(jī)變槳時(shí)槳葉所能承受的載荷，伺服電機(jī)、減速器相對應(yīng)的功率、轉(zhuǎn)矩和尺寸等參數(shù)才能被具體確定。

1.1 變槳距載荷的計(jì)算

風(fēng)力機(jī)的變槳距機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下，作用于槳葉變距軸上的阻力矩主要包括:槳葉本身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的慣性力矩Mc、空氣動(dòng)力作用在槳葉上產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩Mz、槳葉繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩Mm、槳葉重心偏離槳葉變距軸產(chǎn)生的重力矩Mg、彈性變形引起的力矩Me、由變槳機(jī)構(gòu)各摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力矩 Mf［10］。

(1)槳葉本身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的慣性力矩

風(fēng)輪在工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)槳葉在自身質(zhì)量的離心力作用下產(chǎn)生慣性力矩。假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程中不存在因?yàn)闃~變形而對旋轉(zhuǎn)槳葉產(chǎn)生阻力的彈性力矩，取長度距離為dr的槳葉微元為研究對象，考慮根部為圓柱形及輪廓的存在，Mc表示為:

其中ρb為玻璃鋼槳葉材料密度;Ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;β為槳葉各截面的槳距角，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(2)空氣動(dòng)力作用在槳葉上產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩

根據(jù)槳葉幾何特性、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速和槳距角，利用葉素理論能夠計(jì)算出槳葉上的載荷。但是由于氣動(dòng)力產(chǎn)生的力矩相對離心力引起的慣性力矩Mc較小，且氣動(dòng)力矩引起的力矩方向是使槳距角β增大的方向，為了簡化運(yùn)算，可忽略它［10］。

(3)槳葉繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩

由于變槳系統(tǒng)為位置系統(tǒng)，要求具有快速響應(yīng)速度，因此必須考慮Mm的影響。根據(jù)動(dòng)力學(xué)，慣性力矩為:

其中Jb為槳葉縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為槳葉最大變槳速度;t為槳葉變距速度從0變化到wpmax的最小加速時(shí)間。

(4)其它力矩

本文假設(shè)槳葉軸位于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，并且均勻通過各截面重心，則Mg=0。同時(shí)不考慮槳葉變形問題，則Me=0。

定義槳葉順槳時(shí)產(chǎn)生的變槳力矩方向?yàn)檎颍瑒t開槳時(shí)產(chǎn)生的變槳力矩為負(fù)值。根據(jù)上述前面詳細(xì)分析的作用于槳葉變距軸上的阻力矩和方向，變槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所承受的變槳驅(qū)動(dòng)力矩表示為:

關(guān)槳時(shí):

開槳時(shí):

圖1 槳葉的變槳載荷隨槳距角變化的曲線圖

從安全角度出發(fā)，取M關(guān)=Mc+Mf+Mm作為變槳機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩 MP。依據(jù)2 MW風(fēng)機(jī)槳葉的翼型參數(shù)和氣動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出風(fēng)機(jī)的變槳載荷，其與槳距角的變化曲線如圖1所示。當(dāng)槳葉從關(guān)槳狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_槳狀態(tài)時(shí)，MP先從小變大，然后又逐漸變小，并在β=39(°)時(shí)，MP_Max=40 416 N·m，這也反應(yīng)了由離心力引起的變槳力矩對槳葉變槳驅(qū)動(dòng)力矩影響最大。

1.2 伺服電機(jī)的選型

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)緊急故障需要立即順槳并停機(jī)時(shí)，原則上要求在機(jī)械部件允許的應(yīng)力下，變槳系統(tǒng)能夠在0.8 s內(nèi)從靜止加速到最大速度10(°)/s。另外為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定性以及精度性，要求變槳位置誤差要求在0.01(°)以內(nèi)，因此對于伺服電機(jī)的選型，首先考慮伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩，其次考慮伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度快。在減速箱的齒輪比確定為1 800的前提下，根據(jù)緊急順槳的變槳速度為10(°)/s，要求伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為每分鐘3 000轉(zhuǎn)，因此考慮一定安全裕量，確定額定轉(zhuǎn)速為每分鐘2 000轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)矩為31.8 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為187 N·m，額定功率為7.5 kW的永磁同步電機(jī)作為電伺服變槳系統(tǒng)的伺服電機(jī)。

2 電伺服獨(dú)立變槳控制器的設(shè)計(jì)

考慮到風(fēng)速的隨機(jī)不可預(yù)測性及槳葉負(fù)荷的快速波動(dòng)性，變槳控制系統(tǒng)要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)，因此PMSM采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略，滿足制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精確定位和快速跟蹤等硬性指標(biāo)要求。本文設(shè)計(jì)的電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制，其控制如圖2所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)變槳時(shí)，變槳控制器給出槳距角給定β*(對應(yīng)于伺服電機(jī)給定角度 θ*)，與伺服電機(jī)位置反饋 θr進(jìn)行負(fù)比較，作為位置調(diào)節(jié)器的輸入，位置調(diào)節(jié)器的輸出ω*作為速度調(diào)節(jié)器的給定輸入。速度給定與電機(jī)實(shí)際速度的負(fù)比較，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器，輸出i*q作為電流給定值;電流給定值與實(shí)際的電流的負(fù)比較經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，輸出控制電壓對三相逆變器的電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對電流、轉(zhuǎn)速和位置的控制［8］。其中電流環(huán)結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，大大減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

對電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，設(shè)計(jì)的控制器依次為電流控制器、速度控制器和位置控制器?？紤]到電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置控制器需要具有很強(qiáng)的適應(yīng)性:在位置偏差較大時(shí)能夠快速跟蹤;在位置較小時(shí)能夠平滑運(yùn)行并精確定位，無靜態(tài)誤差，有很強(qiáng)的抗干擾能力。另外電伺服變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的某些不確定因素，如被控對象PMSM的非線性、強(qiáng)耦合和參數(shù)時(shí)變等特性，槳葉負(fù)載變化，外部干擾因素等，因此電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置控制器采用基于模糊推理的自調(diào)整PID控制策略，在線自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)(即每次在線修改PID三個(gè)參數(shù)時(shí)只需模糊推理判斷一次即可)，如圖2的虛線框部分所示。

模糊自適應(yīng)PID控制器以槳距角偏差e和偏差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)調(diào)整，滿足任意時(shí)刻對PID參數(shù)整定的要求。本文電伺服獨(dú)立變槳驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置控制器采用一種有效的模糊自調(diào)整方案，通過引入一個(gè)函數(shù)αP(t)作用于PID的參數(shù)KP和KI(KD=0)，使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行無誤差，該控制方案的簡單在于每次在線修改PID參數(shù)時(shí)只需模糊推理判斷一次。

其中KI0和KP0是經(jīng)過常規(guī)調(diào)試后確定的PI參數(shù)的初始值;γP為比例增益的調(diào)整系數(shù)，γP∈(1，1.4);βP為積分時(shí)間的調(diào)整系數(shù)，βP∈(0.6，1)。

圖2 基于模糊自適應(yīng)PID控制的電伺服變槳控制系統(tǒng)框圖

αP(t)的在線調(diào)整由模糊推理實(shí)現(xiàn):首先將位置偏差e和位置偏差率ec模糊化轉(zhuǎn)換為輸入量E和EC，其中隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù);然后結(jié)合具體受控過程及實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，采用最大—最小推理方法確定模糊推理規(guī)則，推理產(chǎn)生模糊變化量M，如表1所示，它反映αP在動(dòng)態(tài)過程中應(yīng)具有的變化趨勢的模糊決策;最后通過重心法解模糊得到m(t)，在線調(diào)整αP。

其中ηP為正常數(shù)，在線調(diào)整αP的變化速度，一般取ηP=0.1;αP(0)=1，αP(t)∈(0，1)。

表1 解模糊化處理

3 電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

7.5 kW電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)由PLC控制器、PMSM、伺服驅(qū)動(dòng)器、備用電池系統(tǒng)、減速箱、滑環(huán)和電氣總開關(guān)等組成，位置控制器采用基于模糊推理的自調(diào)整PID位置控制策略設(shè)計(jì)。在實(shí)際風(fēng)機(jī)變槳時(shí)，槳距角給定為25(°)，槳葉在45(°)和20(°)之間進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳎娝欧?dú)立變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，變槳平穩(wěn)、無超調(diào)、具有良好的位置跟蹤性能和一致性，如圖3(a)和(b)所示，開始變槳時(shí)，變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠迅速達(dá)到每分鐘2 000轉(zhuǎn)，對應(yīng)于槳葉轉(zhuǎn)速為7(°)/s，加速度為15(°)/s2;在快到達(dá)指定位置時(shí)，變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降為零;在恒速過程中，變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，無超調(diào)，如圖3(c)所示。圖3(d)為折算到電機(jī)側(cè)的三個(gè)槳葉的實(shí)際扭矩，圖3(e)為三個(gè)槳葉的變槳電機(jī)PMSM的電流，其變化規(guī)律與仿真規(guī)律相吻合，驗(yàn)證了電伺服控制策略以及控制器的正確性和有效性?？傮w上，電伺服獨(dú)立變槳系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、精確定位和快速跟蹤，滿足大型風(fēng)機(jī)變槳所需的響應(yīng)速度和伺服精度。

圖3 槳距角給定、實(shí)際槳距角、變槳速度反饋、變槳電機(jī)扭矩和變槳電機(jī)波形曲線圖

4 結(jié)束語

本文針對大型風(fēng)力機(jī)的槳葉，首先理論分析并計(jì)算了2 MW風(fēng)機(jī)的槳葉變槳距載荷，確定電伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，為伺服電機(jī)選型提供理論依據(jù);然后針對槳葉負(fù)荷以及變槳控制系統(tǒng)對位置控制器的特殊需求，采用一種將模糊控制與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的模糊-PID控制設(shè)計(jì)位置控制器，并通過搭建的電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了變槳系統(tǒng)能夠滿足高性能伺服系統(tǒng)的精確槳葉位置和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能要求，而且驗(yàn)證了伺服控制策略的正確性，證明所設(shè)計(jì)的電伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠滿足大型風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳的需求，為電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對發(fā)展獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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