基于模糊PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制研究

摘 要： 為了提高變槳距控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的跟蹤控制精度，同時(shí)避免局部極小值問(wèn)題，針對(duì)常規(guī)PID控制難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制效果，首先建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距的動(dòng)態(tài)模型，在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制要求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊PID的變槳距控制方法。該方法將模糊與PID相結(jié)合這樣有效的彌補(bǔ)常規(guī)PID的不足。在隨機(jī)風(fēng)作用下對(duì)機(jī)組的模糊PI控制器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該模糊PI控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能及對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)的魯棒性，能夠有效改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變漿距系統(tǒng)控制效果。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 變槳距控制； 模糊PID； 變速恒頻

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）16?0146?03

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔、綠色、無(wú)污染的可再生新能源，近幾年風(fēng)力發(fā)電得到了快速的發(fā)展。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變槳距控制系統(tǒng)，變槳距風(fēng)機(jī)能夠提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)以轉(zhuǎn)換最大的風(fēng)能[1]。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，采取變槳距控制策略，通過(guò)改變?nèi)~片的迎風(fēng)角度以改變氣流對(duì)風(fēng)力機(jī)的作用面積，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率維持在允許范圍內(nèi)。

模糊（Fuzzy）控制是一種新穎的控制策略，其最大的特點(diǎn)是利用專家經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)控制經(jīng)驗(yàn)建立語(yǔ)言控制規(guī)則，無(wú)需精確數(shù)學(xué)模型就可由控制器執(zhí)行其功能[2]。人們提出模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，組成復(fù)合模糊PID控制器的策略，取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合其優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)誤差大于某一閾值時(shí)，首先利用模糊控制算法，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的阻尼特性且減小響應(yīng)過(guò)程的超調(diào)量，使誤差盡快到達(dá)平衡點(diǎn)附近；當(dāng)誤差到達(dá)平衡點(diǎn)附近時(shí)，經(jīng)過(guò)閾值開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)化，利用PI控制器中的積分作用消除系統(tǒng)的誤差。本文變槳距控制即采用這種復(fù)合控制技術(shù) 。

1 風(fēng)電機(jī)組變槳距控制工況分析

定槳距風(fēng)電機(jī)組相比，變槳距風(fēng)電機(jī)組具有較好功率平滑控制性能及并網(wǎng)更加靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。根據(jù)變槳距系統(tǒng)在變槳中所起的作用，將變槳風(fēng)電機(jī)組控制分為起動(dòng)狀態(tài)控制、欠功率狀態(tài)控制、額定功率狀態(tài)控制和停機(jī)控制四種控制模式，分述如下。

（1）起動(dòng)狀態(tài)控制

當(dāng)變槳距風(fēng)電機(jī)組靜止時(shí)，其風(fēng)輪葉片的槳距角為[90°]。由于氣流與葉片之間的攻角為[0°]，因此氣流不會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生力矩，此時(shí)葉片為一塊阻尼板。而當(dāng)風(fēng)速逐漸增大至切入風(fēng)速（起動(dòng)風(fēng)速）時(shí)，則需通過(guò)控制變槳機(jī)構(gòu)使葉片向[0°]槳距角方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)氣流會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。對(duì)半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)以前，由電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制槳距角給定值。轉(zhuǎn)速控制器給出轉(zhuǎn)速參考值后，變槳系統(tǒng)則根據(jù)該參考值對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為確保風(fēng)電機(jī)組平穩(wěn)并網(wǎng)，盡可能減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可以控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速附近一段時(shí)間，以期尋求合適時(shí)機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)。為使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，變槳風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速未達(dá)到同步轉(zhuǎn)速之前不對(duì)槳距角加以控制。此時(shí)，葉片只是按預(yù)先設(shè)定的速度向[0°]槳距角方向旋轉(zhuǎn)，直至風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速附近。其中，轉(zhuǎn)速控制的參考值為同步轉(zhuǎn)速值[3]。轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與該值比較，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于參考值時(shí)，葉片就向著迎風(fēng)面積增大的方向旋轉(zhuǎn)至一定角度；反之，葉片則向與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)至一定角度。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨于同步速并在該值附近穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)組即可并網(wǎng)。

（2）欠功率狀態(tài)控制

風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，由于實(shí)際風(fēng)速小于額定風(fēng)速，機(jī)組的輸出功率小于額定功率，機(jī)組在低功率狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)機(jī)組此時(shí)工作狀態(tài)的控制稱為欠功率狀態(tài)控制。

當(dāng)變槳風(fēng)電機(jī)組工作在欠功率狀態(tài)時(shí)，此時(shí)，機(jī)組輸出功率低于額定功率。為了提高機(jī)組的發(fā)電效率，盡可能捕獲風(fēng)能，此運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行最大功率跟蹤（MPPT）控制。在進(jìn)行MPPT控制時(shí)，控制變槳風(fēng)電機(jī)組在優(yōu)化槳距角[0°]附近保持不變，然后通過(guò)控制機(jī)側(cè)變換器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電流，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大功率捕獲。

（3）額定功率狀態(tài)控制

在可用風(fēng)速范圍內(nèi)，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出功率一般要大于額定功率，此時(shí)機(jī)組進(jìn)入額定功率運(yùn)行狀態(tài)。考慮到風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力、發(fā)電機(jī)的容量以及變換器容量的限制，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行變槳距控制。變槳風(fēng)電機(jī)組在該運(yùn)行狀態(tài)下的變槳控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

綜合變槳距控制的四種控制模式，可以得出變槳風(fēng)電機(jī)組在所有風(fēng)況下的輸出功率控制曲線圖如圖2所示。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模糊PID控制器

模糊控制的基本原理可由圖3表示，它的核心部分是虛方框內(nèi)的模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，模糊控制基本的控制思路是：計(jì)算機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控量的精確值，然后將此值與給定值比較得到誤差信號(hào)[e（t）]。一般選誤差信號(hào)[e（t）]及誤差變化率[Δe（t）]作為模糊控制器的輸入量，將輸入變量的精確值變換成其對(duì)應(yīng)論域上用自然語(yǔ)言描述的模糊量，來(lái)獲得誤差及誤差變化率的模糊子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則根據(jù)模糊推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策得到模糊控制量。然后經(jīng)過(guò)解模糊過(guò)程得到精確的數(shù)字控制量，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由各種交直流電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電機(jī)組成，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行一步控制。依次通過(guò)中斷等待第二次采樣獲取第二次控制，通過(guò)循環(huán)操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。

根據(jù)上述模糊控制器設(shè)計(jì)的原理，本文在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)采用變槳距控制策略，利用模糊PI控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)輸出的功率維持在額定功率附近。圖4為變槳距控制系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)選用二維模糊控制器，以發(fā)電機(jī)反饋功率和目標(biāo)功率的誤差及誤差變化率作為系統(tǒng)的輸入量，輸出量為增量型槳距角的變化值。隸屬函數(shù)選用三角形型隸屬函數(shù)。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和功率控制的要求，建立如下所示的模糊控制器判定規(guī)則：

（1）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正大（負(fù)大）或正中（負(fù)中），誤差變化為正（負(fù)）或零，就增加葉片槳距角負(fù)大（正大）；

（2）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正大（負(fù)大）或正中（負(fù)中），誤差變化為負(fù)小 （正小），就增加葉片槳距角負(fù)中（正中）；

（3）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正大（負(fù)大）或正中（負(fù)中），誤差變化為負(fù)中（正中）或負(fù)大（正大），就保持葉片槳距角不變；

（4）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正小（負(fù)?。`差變化為正（負(fù)）或零，就增加葉片槳距角負(fù)中（正中）；

（5）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正?。ㄘ?fù)?。?，誤差變化為負(fù)?。ㄕ。?，就保持葉片槳距角不變；

（6）如果輸出功率與目標(biāo)功率誤差為正?。ㄘ?fù)?。`差變化為負(fù)中（正中）或負(fù)大（正大），就增加葉片槳距角負(fù)?。ㄕ。?/p>

由以上判定規(guī)則組成的模糊控制器判定規(guī)則表如表1所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析風(fēng)電機(jī)組變槳距控制原理的基礎(chǔ)上建立了模糊控制器判定規(guī)則，采用模糊PID控制器對(duì)變槳距系統(tǒng)進(jìn)行控制，本控制器能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制器的不足，提高變槳距控制系統(tǒng)在額定風(fēng)速以上的控制精度和響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)搭建模型進(jìn)行機(jī)理仿真，仿真結(jié)果表明該控制器動(dòng)態(tài)性能良好，魯棒性強(qiáng)。

表1 模糊控制器的判定規(guī)則

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