雙饋風力發電機的變論域模糊控制

李樹江 周 玲

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

雙饋風力發電機在結構上類似于繞線式異步發電機，在連接上，它的轉子側通過雙向變頻器接到電網上，雙向變頻器充當交流勵磁裝置，進行交流勵磁，定子側是直接接在電網上，定子和轉子兩側都能與電網進行能力的饋送，“雙饋”由此得來。它之所以能被得到廣泛的應用，是因為它既具有異步發電機的優點，又具有同步發電機的優點。雙饋風力發電機與同步機一樣，具有獨立的勵磁裝置，該勵磁裝置是由電力電子器件組成的，通過調節勵磁電壓的頻率、幅值、相位等控制系統的有功和無功。雙饋風力發電機由于其優良的特性，具有良好的發展前景。

許多文獻采用不同的控制方法對雙饋風力發電機進行控制，文獻[1]、[2]和[3]對功率控制采用的是普通PI控制，其控制性能的優劣和PI控制器參數選擇有很大關系，系統自適應能力差，文獻[4]采用的是常規模糊控制，由于模糊控制的不精確，系統存在一定的誤差。而且雙饋風力發電系統是很復雜的系統，風速的突然變化捕獲到不同的功率使得發電機運行在不同的工況下，不同工況定會引起電機參數的變化，并且系統在運行時存在干擾，而文獻[1]、[2]和[4]沒有將這些因素考慮進去。

針對前面控制器存在的問題，自適應能力差以及控制精度不高，根據模糊控制器的本質就是插值器，采用變論域模糊控制形式可以使模糊控制達到高精度的控制效果[5]。本文設計了一套基于變論域模糊控制的高性能雙饋發電機有功功率和無功功率解耦控制系統，基于Matlab/Smulink環境，在不同工況、參數改變情況下進行了試驗。試驗表明基于變論域模糊控制策略是可行的，實現了有功功率和無功功率的解耦控制，并具有自適應能力強和控制精度高的良好動態特性。

2 雙饋風力發電機的數學模型

2.1 雙饋風力發電機的基本模型

當定子和轉子采用電動機慣例規定正方向，則可得雙饋電機的數學模型[6-7]：

電壓方程：

2.2 基于定子磁場定向的矢量模型

矢量控制技術是交流電機系統實現解耦控制的核心，而矢量控制的核心是要對電機定子電流的兩個正弦交變分量進行獨立控制和調節[8]。鑒于雙饋風力發電機的定子側是直接接電網，則定子側電壓等于電網電壓，定子側相對比較穩定，因此本文采用了定子磁場定向的矢量控制技術，即定子磁鏈ψs的方向與同步旋轉坐標系 d軸的方向一致，則有ψs=ψsd，ψsq= 0，在正常工作狀態下，發電機的定子繞組的電阻相對于它的電抗要小的多，可以忽略不計，即Rs=0；電網電壓矢量比定子磁鏈矢量超前900，正好在q軸的正反向上，所以有usd= 0，usq=Us，其中Us為定子電壓矢量的幅值。當電機的定子接在恒定的電網上時，Us為常數。由此可得：

將有功功率和無功功率當做被控制量，則被控系統[9]如圖1所示。

圖1 被控系統框圖

2.3 基于定子磁場定向矢量控制系統結構的簡化

圖2 DFIG的簡化模型

3 雙饋風力發電機變論域模糊控制器的設計

模糊控制具有良好的控制效果，但常規模糊控制器控制精度不高，存在穩態誤差，而變論域模糊控制恰恰彌補了這一缺點，它通過加入伸縮因子，根據誤差e和誤差變化率ce調整彼此的論域，其實質就是在一定區間增加控制規則，從而達到更高精度控制。本文采用了雙輸入單輸出的變論域模糊控制器，對系統功率環進行控制。

3.1 可變論域思想

控制規則對模糊控制效果的影響很大，并不是控制規則越多控制效果越好，因為變量過多，規則過于復雜，會使控制算法難以實現。考慮控制的目的：使系統的誤差等于零或盡可能地趨于零，如果現在的誤差初始論域為X=[?E，E]，隨著控制過程的動態變化，系統的誤差也一定在變化，那么當誤差向零靠近時，我們仍采用原來的論域進行推理控制的話，必然會造成控制精確的降低。因此，“可變論域”的思想被李洪興教授在文獻[5]中首次提出：所謂變論域是指論域Xi隨著變量xi的變化進行自行調整，記之為

圖3 變論域示意圖

3.2 伸縮因子的選擇

3.3 變論域模糊控制器的設計

本文采用雙輸入單輸出的變論域模糊控制器[11]來實現對功率的解耦控制。有功功率變論域模糊控制結構圖如圖4所示，同樣對無功功率采用同樣的控制結構。

變量的模糊化。以有功功率調節為例，模糊控制器的輸入為e(t) =Ps*?Ps和偏差變化率e˙(t) =e(t) ?e(t?1)，電流轉子側q軸電流作為輸出，考慮到系統會在不同工況下運行，以及d軸會對q軸產生干擾，確定其初始論域分別為：[?6， 6]，[?6， 6]，[?6， 6]，其模糊子集都為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，并且各變量的隸屬函數采用三角形函數。

圖4 有功功率變論域模糊控制框圖

模糊規則的確定。本系統采用的是雙輸入單輸出形式的變論域模糊控制器，在總結技術人員知識的基礎上經過反復調試建立了合適的模糊控制規則，如表1所示。

表1 模糊控制規則表

由表1可得：

模糊推理算法，在變論域模糊控制中，有三種常見的計算方法[11]：潛遺傳法、顯遺傳法和逐步顯遺傳法。本文采用的是計算量相對少的潛遺傳變論域自適應模糊控制算法，其計算公式

解模糊，本文采用的是最常用的重心法。

4 仿真與分析

本文進行了一系列的仿真試驗，所使用發電機參數[6]為額定功率為2.2kW，相電壓為380V，Ls=0.156125H；Lr=0.156125H；Lm=0.148H；Rs=2.470?；Rr=2.249?。

（1）給定無功功率為500var，有功功率給定值在0到0.9s之間是1200w，在0.9s到1.8s之間為2200W。

圖5給出了參數改變前有功功率的階躍響應及對無功功率的影響，由圖5可知，在變論域模糊控制下有功功率很好的跟蹤了設定值，在0.9s時有功功率的增加對無功功率產生了影響，但在變論域模糊控制的作用下無功功率很快恢復到原先設定的值，實現了有功和無功的獨立控制。

圖5 參數改變前有功功率的階躍響應及對無功功率的影響圖

圖6給出了參數改變后有功功率的階躍響應及對無功功率的影響。由于在運行過程中電機的各參數實際上是變化的，所以在試驗過程中將電機的參數作如下變化：Ls=Lr變成原來的1/3倍；Lm原來的1/2倍；Rs和Rr變為原來的5倍。由圖6可知，雖然參數變化對有功功率和無功功率跟蹤造成了小的波動，但是仍然可以很好的跟蹤設定值。

圖6 參數改變后有功功率的階躍響應及對無功功率的影響圖

（2）給定有功功率為2200W，無功功率給定值在0到0.9s之間是500var，在0.9s到1.8s之間為200var。

圖7給出了參數改變前無功功率的階躍響應及對有功功率的影響，由圖7可知，在變論域模糊控制下無功功率很好的跟蹤了設定值，在0.9s時無功功率的減少對有功功率產生了影響，但在變論域模糊控制的作用下有功功率很快恢復到原先設定的值，實現了有功和無功的獨立控制。

圖7 參數改變前無功功率的階躍響應及對有功功率的影響圖

圖8給出了參數改變后無功功率的階躍響應及對有功功率的影響，由于在運行過程中，電機的參數會發生變化，因此將電機的參數作如下變化：Ls=Lr變成原來的1/4倍；Lm原來的1/3倍；Rs和Rr變為原來的3倍，由圖8可知，雖然參數變化對有功功率和無功功率跟蹤造成了小的波動，但是仍然可以很好的跟蹤設定值。

圖8 參數改變后無功功率的階躍響應及對有功功率的影響圖

變論域模糊控制器在參數變化前后都能實現系統有功功率和無功功率的解耦控制。

5 結論

本文設計了一套基于變論域模糊控制的高性能控制系統，并進行了變論域模糊控制的仿真研究和試驗，對控制效果進行了分析。試驗表明，在避免了參數選擇對控制系統影響的同時，變論域模糊控制結合了常規模糊控制技術的魯棒性和它自身的高精度性，使得整個系統具有良好的控制效果，提高的系統穩定性和控制精度。

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