(寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721007)

0 引言

近年來，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其有功、無功功率解耦控制、能量四象限運(yùn)行以及變流器容量小等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著單機(jī)容量及裝機(jī)規(guī)模的不斷增大，機(jī)組安全平穩(wěn)并網(wǎng)是雙饋風(fēng)電機(jī)組持續(xù)發(fā)電運(yùn)行的首要條件。

目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式主要有：空載并網(wǎng)、負(fù)載并網(wǎng)和孤島并網(wǎng)[1]。其中，空載并網(wǎng)因其結(jié)構(gòu)、控制簡(jiǎn)單，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其控制方式做了相關(guān)研究。參考文獻(xiàn)[2-3]采用傳統(tǒng)矢量變換，將PID控制方式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)定子電流與電網(wǎng)電流在幅值、頻率、相位上的一致，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。PID控制方式簡(jiǎn)單，但控制效果依賴于雙饋電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型。參考文獻(xiàn)[4]提出一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的空載并網(wǎng)控制策略，并網(wǎng)過渡過程短，穩(wěn)態(tài)精度較高，但該算法中PID參數(shù)的準(zhǔn)確性取決于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層數(shù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。參考文獻(xiàn)[5]提出了基于定子磁鏈定向的雙饋電機(jī)模糊PID控制策略，實(shí)現(xiàn)了良好的并網(wǎng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。但其在控制器設(shè)計(jì)中，模糊控制規(guī)則是不能改變的。在實(shí)際的空載并網(wǎng)過程中，雙饋電機(jī)定子電壓和電網(wǎng)電壓的誤差大小是不斷變化的，為了更好地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，需要模糊論域根據(jù)誤差的調(diào)節(jié)而調(diào)節(jié)。

基于此，在參考文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，提出了帶自調(diào)整因子的雙饋風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)模糊控制，控制器根據(jù)d，q軸電流誤差大小分配不同的調(diào)整因子，從而使控制論域得到自我調(diào)整，進(jìn)一步加速了空載并網(wǎng)的過渡過程，增強(qiáng)了并網(wǎng)的平穩(wěn)性。

1 雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

在建立雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型之前，規(guī)定電機(jī)定子繞組采用發(fā)電機(jī)慣例；轉(zhuǎn)子繞組采用電動(dòng)機(jī)慣例。在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下，雙饋電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電壓、電流磁鏈方程為[6]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，ud1，uq1，ud2，uq2，id1，iq1，id2，iq2分別表示定、轉(zhuǎn)子電壓，電流的d，q軸分量；ψd1，ψq1，ψd2，ψq2分別表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d，q軸分量；(ω1-ωr)為dq坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度；R1，R2分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；L1，L2分別為定、轉(zhuǎn)子電感；Lm為定、轉(zhuǎn)子互感。

雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)的基本理論是[7]：并網(wǎng)前，電機(jī)不帶負(fù)載，即定子電流為0，反映到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，即id1=0，iq1=0。通過控制雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電源的幅值及頻率使定子側(cè)發(fā)出電的幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位一致，從而達(dá)到并網(wǎng)要求。

采用定子磁鏈定向矢量控制，將定子磁鏈定向于d軸上，則

(5)

將id1=0，iq1=0和式(5)代入式(4)中，得空載并網(wǎng)時(shí)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流指令值為：

(6)

將id1=0，iq1=0 和式(6)代入(2)中，得轉(zhuǎn)子電壓方程為：

(7)

式(5)～ (7)構(gòu)成了雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。

2 帶自調(diào)整因子模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID控制是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷檢測(cè)給定與反饋的偏差e及偏差變化率ec=de/dt，根據(jù)事先確定的模糊約束關(guān)系及推理方法，實(shí)時(shí)在線修正P，I，D參數(shù)，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)。根據(jù)其工作原理，設(shè)計(jì)過程如下[8-10]：

甲基二磺隆和炔草酯防治小麥田禾本科雜草效果研究……………………………… 于金萍，劉亦學(xué)，張 惟，李 琦，白鵬華（83）

2.1 確定模糊控制器的輸入輸出變量。

根據(jù)1章中的雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，有轉(zhuǎn)子電流id2，iq22個(gè)控制環(huán)，因此，選取id2給定電流與反饋電流的偏差ed及偏差變化率edc做為模糊控制器1的輸入；選取iq2給定電流與反饋電流的偏差eq及偏差變化率eqc做為模糊控制器2的輸入,2個(gè)控制器的輸出分別為其對(duì)應(yīng)的P，I，D參數(shù)增量，即，ΔKP，ΔKI，ΔKD。根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且考慮電壓、電流傳感器檢測(cè)誤差，取偏差ed，eq及偏差變化率edc，eqc的模糊基本論域?yàn)閇-5，5]，輸出量ΔKP，ΔKI，ΔKD的論域?yàn)閇-10，10]。

2.2 模糊化輸入輸出變量。

模糊控制的精度是隨變量量化等級(jí)的增加而提高的。在本文中，設(shè)計(jì)ed，eq，edc，eqc，ΔKP，ΔKI，ΔKD均包含7個(gè)模糊等級(jí)，即：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。對(duì)應(yīng)的模糊語言均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，該集合中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[3]。

在雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)過程中，考慮到并網(wǎng)電網(wǎng)偏差的產(chǎn)生是隨機(jī)的，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，輸入輸出變量的模糊子集都采用三角函數(shù)的隸屬度函數(shù)。

2.3 確定PID參數(shù)模糊控制規(guī)則

在空載并網(wǎng)策略中，對(duì)2個(gè)電流環(huán)偏差e的控制規(guī)律尤為重要，控制規(guī)律設(shè)置的不合適會(huì)使定子電壓與電網(wǎng)電壓相差較大，并網(wǎng)過程出現(xiàn)較大過沖。以id2環(huán)為例，當(dāng)id2的給定值與反饋值相差較大時(shí)，應(yīng)取較大的KP，使轉(zhuǎn)子電壓分量ud2輸出幅度增加，以提高定子輸出電壓幅度；但是為了避免由于開始時(shí)偏差ed的瞬間變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小的KD，同時(shí)為了防止系統(tǒng)速度響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取KI=0，等等。根據(jù)空載并網(wǎng)的控制經(jīng)驗(yàn)，可得到并網(wǎng)控制的輸出參數(shù)(ΔKP，ΔKI，ΔKD)的模糊控制規(guī)則共49條。通過查詢?cè)摫聿⑶医?jīng)過解模糊就可以得到ΔKP，ΔKI和ΔKD的最終輸出值，雙饋電機(jī)在不同的工況下調(diào)用不同的控制規(guī)則來調(diào)節(jié)定子電壓，使其與電網(wǎng)電壓的幅值、相位、頻率相一致。

2.4 調(diào)整控制因子

在上述的模糊控制規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，若設(shè)模糊控制器的輸入(偏差e和偏差變化率ec)和輸出(ΔKP，ΔKI，ΔKD)變量統(tǒng)一為u，且每個(gè)變量的模糊等級(jí)相同，則有以下規(guī)律：

{e}={ec}={u}={-m，-m+1，...，-2，-1，0，+1，+2，...，m-1，m}。

由表1可得出:

u= -(e+ec)/2

(8)

在本論文中，考慮給空載并網(wǎng)模糊控制器中加入調(diào)整因子α，則(8)式變?yōu)椋?/p>

u=-[αe+(1-α)ec]α∈(0,1)

(9)

通過對(duì)α的調(diào)節(jié)，可以改變e及ec的作用程度，達(dá)到調(diào)節(jié)控制規(guī)律的目的。

對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制，在并網(wǎng)的起始時(shí)刻，定子電壓與電網(wǎng)電壓幅值偏差e較大，這時(shí)需要e在控制規(guī)律中起較大作用；在并網(wǎng)過程趨向穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，電壓偏差已經(jīng)調(diào)節(jié)的比較小，希望在盡可能短的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)穩(wěn)定，這就需要在控制規(guī)律中ec起較大作用。

α1,α2∈(0,1),α1<α2

(10)

圖1 帶自調(diào)整因子模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.5 模糊量的清晰化

將模糊控制器的輸出量ΔKP，ΔKI，ΔKD采用重心法轉(zhuǎn)化為精確量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提帶自適應(yīng)調(diào)整因子模糊控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制策略優(yōu)越性，在自行搭建的雙饋風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)參數(shù)是，雙饋電機(jī)額定功率15 kW；額定電壓380 V；極對(duì)數(shù)為3；定子電阻為0.658 1 Ω；定子電抗為1.334 6 Ω；轉(zhuǎn)子電阻為0.105 8 Ω；轉(zhuǎn)子電抗為2.177 8 Ω；互感電抗為42.734 Ω。雙饋電機(jī)定子側(cè)通過升壓變壓器并網(wǎng)。

在本設(shè)計(jì)中經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，確定當(dāng)α1=0.68和α2=0.32時(shí)空載并網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊最小，因此在兩個(gè)轉(zhuǎn)子電流環(huán)中調(diào)整因子均設(shè)置為0.68和0.32。圖2、圖3分別為采用常規(guī)的模糊PID控制和采用帶調(diào)整因子的模糊控制實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯?，常規(guī)模糊控制時(shí)，定子電壓與電網(wǎng)電壓差較大，導(dǎo)致并網(wǎng)時(shí)刻定子電流有較大沖擊，并網(wǎng)過程在大概20 ms后趨于穩(wěn)態(tài)；采用所提控制策略后，減小了并網(wǎng)時(shí)的電流沖擊，且過渡過程短暫。在兩種控制策略均滿足并網(wǎng)要求的條件下，所提策略能根據(jù)誤差及誤差率的變化及時(shí)調(diào)整控制論域，使定子電壓跟快、更精確的達(dá)到電網(wǎng)電壓，提高了機(jī)組并網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定性。

圖2 常規(guī)模糊控制空載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)束語

為了改善傳統(tǒng)基于PID控制的雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)過程依賴電機(jī)精確數(shù)學(xué)模型的不足，在模糊控制PID基礎(chǔ)上，提出了帶自調(diào)整因子的雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)模糊控制。分5步驟設(shè)計(jì)了帶2個(gè)自調(diào)整因子的模糊PID控制器，可以根據(jù)空載并網(wǎng)的不同過程動(dòng)態(tài)調(diào)整模糊控制論域。通過與傳統(tǒng)的模糊控制空在并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，可以看出所涉及的控制器能夠更加準(zhǔn)確、迅速的調(diào)整定子電壓使其滿足并網(wǎng)要求。

圖3 帶自調(diào)整因子模糊控制空載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

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