基于神經網絡PID的變速變槳距控制設計

陳光宇

（秦皇島職業技術學院 機電工程系，秦皇島 066100）

0 引言

風力發電作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，其優越性為越來越多的人所認可。風能是一種能量密度低、穩定性較差的能源，由于風速風向的隨機性變化，導致風力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風力機的空氣動力效率及輸入到傳動鏈的功率發生變化，影響了風電系統的發電效率并引起轉矩傳動鏈的振蕩，會對電能質量和接入電網產生影響，對小電網甚至會影響其穩定性。風電機組的功率控制方式目前一般分為四類：定速失速調節、定速變槳距調節、變速失速調節和變速變槳距調節[1]。

傳統的最佳葉尖速比控制和槳距角控制采用線性控制方法，基于線性化模型，采用風速和轉速測量值進行反饋控制[2]。相對于定槳距的失速型風機,變槳距風機具有在額定功率點以上輸出功率平穩恒定的優點[3]。變速變槳距調節在風速低于額定風速時，采用的是變速控制，此時風能效率高于采用失速控制風電機組的風能效率，具有優化的氣動特性；在風速高于額定風速時，采用得還是變槳距控制方式，采用改變槳距控制，通過槳距角的改變，從而改變作用在風輪上的氣動扭矩，使功率保持在恒定值。

1 變速控制原理

不同風速下風力機輸出機械功率隨風輪轉速變化而變化，每一種風速下都存在一個最大輸出功率點，對應于最大的風能轉換系數Cpmax。將各個風速下的最大輸出功率點連接起來，就可以得到風力機輸出機械功率的最佳曲線Popt。要使風力機運行在這條曲線上，必須在風速變化時及時調節轉速，以保持最佳葉尖速比，風力機將會獲得最大風能捕獲，有最大機械功率輸出[4]。

圖1 控制策略原理圖

如圖1所示，假設原來在風速v2下風力機穩定運行在最優功率曲線Popt的B點，對應著該風速下的最優轉速ω2和最優的機械功率P2，此時發電機輸入的機械功率等于發電機系統輸出的功率。如果某一時刻風速突然升高至v3，風力機馬上就會由B點跳至v3風速下功率曲線上的D點運行，其輸出機械功率由P2突變至P3。由于大的機械慣性作用和控制系統的調節過程滯后，發電機仍然運行在B點，此時發電機輸入的機械功率大于發電機系統輸出的功率，功率的不平衡，將導致發電機轉速馬上升高。在這個變化過程中，風力機和發電機將分別沿著v3風速下功率曲線的DC軌跡和最優功率曲線的BC軌跡運行。當分別運行至風力機功率曲線和最優功率曲線的交點C時，功率將重新達到平衡。此時，轉速穩定在對應于風速v3下的最優轉速ω3，風力機輸出最優的機械功率P3。同理，也可以分析風速從高到低變化時，最大風能捕獲過程和轉速的調節過程。

2 變速變槳距控制

在風速低于額定風速這段工作范圍，設計成采用變速控制。采取對電機進行變速控制達到功率的最大吸收，電機扭矩根據公式(1)計算，計算結果如表1所示。

表1 風力機電機轉速與扭矩關系

當風速高于額定風速時，對風力發電機進行變槳距控制，按照所需要的功率系數值確定所需要的變槳角度，以保證功率的穩定。根據變漿距角隨風速的變化規律[5]建立仿真模型，如圖2所示，仿真計算結果如圖3所示。

圖2 變槳控制仿真模型

圖3 槳距角隨風速變化曲線圖

3 PID控制

由于風力發電機組一般組裝在環境比較惡劣的無人區，所以對風電機組的變槳距系統的控制采用智能控制。電機扭矩和變槳機構的控制均采用智能PID控制，即通過神經網絡PID控制器，實現變槳系統自適應的智能控制，如圖4。對神經網絡PID控制器的設計主要從以下兩個部分著手：

1）經典的PID控制器，它直接對被控對象過程閉環控制，并且3個參數kp、ki、kd為在線整定式；

2）神經網絡根據系統的運行狀態，對調節PID控制器的參數，以期達到某種性能指標的最優化，即使輸出層神經元的輸出狀態對于PID控制器3個可調參數kp、ki、kd，通過神經網絡的自身學習，加權系數調整，從而使其穩定狀態對應于某種最優控制率下的PID控制參數。

圖4 變槳變速系統人工智能控制圖

4 仿真結果分析

對控制系統改良設計后，由于變速失速控制和定速變槳距控制同采用了變速控制或者是變槳距控制，研究了變速變槳距控制策略，也就相當于研究了這兩種控制策略。采用本文建立的分析模型，計算了目前常用四種控制策略的計算結果，結果如圖5所示。

圖5 變速變漿距控制風力發電機性能分析

從圖5可以看出，風速到達額定風速之前，變速控制對風能的吸收利用最好，在這一階段，變速變槳控制和變速失速控制的發電功率差不多；當風速大于額定風速時，變槳距控制對風電機組功率的穩定起到了重要重用，此時變速變槳距控制和定速變槳距控制都能使功率穩定在額定功率上。從總的發電效果來說，采用變速變槳距控制策略的風電機組發電品質要好于其它三種控制方式。

5 結論

經過對計算結果的分析，我們可得出如下結論，采用神經網絡PID控制的變速變槳距控制系統有以下優點：

1）在風速從切入風速到額定風速時，采用變速控制策略的風電機組對風能的利用比定速控制風電機組對風能的利用率高。

2）在風速從額定風速到切出風速時，相對失速控制風電機組，采用變槳距控制風電機組的功率恒定，發電品質較好。

綜上所述，采用變速變槳距控制的風電機組的發電品質相對采用其它幾種控制策略的風電機組發電品質更高、更好。

[1] Eduard M uljadi, Butterfield C P.P itch2cont rolled variable 2speedwind turbine generation.IEEE Trans on IA ,2001,1(37):240-246.

[2] A.D.Diop,C.Nichita,J.J.Belhache,B.Dakyo,and E.Ceanga,＂Modeling of a variable pitch HAWT characteristics for a real-time wind turbine simulator,＂Wind Eng.,vol.23,no.4,p p.225–243,1999.

[3] Bose B K,王聰,等譯.現代電力電子學與交流傳動[M].北京:機械工業出版社,2005.

[4] 林勇剛,李偉,等.變速恒頻風力機組變槳距控制系統[J].杭州:農業機械學報,2005.

[5] 耿華,周宏林,等.變速變槳距風力發電系統的逆系統控制器性能評估[J].電力電子,2008.2:45-49.