風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)

楊德亮 李泰 鄒博 劉海艦 王琪祥 高斌

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種復(fù)雜時(shí)變非線性系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)在額定值以上時(shí)，機(jī)械載荷能力和功率波動(dòng)的范圍是影響風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的重要因素。在風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力電機(jī)基礎(chǔ)上建立風(fēng)速雙頻環(huán)模型；并且通過低頻環(huán)PI控制變漿距系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)額定功率控制；高頻環(huán)設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器以減少系統(tǒng)的機(jī)械振蕩和保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明該雙頻環(huán)優(yōu)化控制器能夠?qū)崿F(xiàn)的功率穩(wěn)定輸出，有效減少負(fù)載的擾動(dòng)，同時(shí)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 雙頻環(huán) 優(yōu)化控制 節(jié)距角

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（c）-0062-03

20世紀(jì)90年代以來，全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]，風(fēng)能逐步被廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。在風(fēng)速低于額定值時(shí)，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率是最受到人們關(guān)注的問題之一，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就捕獲最大風(fēng)能方面的研究已經(jīng)取得了很多的成果，常用方法是MPPT和LPV [2-3]。當(dāng)風(fēng)速在額定值以上時(shí)，常用到的控制方法有PI、LQG等[4-5]。但是會(huì)出現(xiàn)PI控制超調(diào)值過大、LQG控制參數(shù)過多等問題。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其在處理非線性和不確定性方面的優(yōu)勢(shì)以及自身的并行性和不依賴數(shù)學(xué)模型的獨(dú)立性，以及每個(gè)神經(jīng)元具有的非線性激活函數(shù)， 為解決風(fēng)電變槳距問題提供了一種有效的方案[6-7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的并行性和硬件實(shí)現(xiàn)在變槳距中的應(yīng)用有著十分重要的理論研究和工程應(yīng)用價(jià)值[8-10]。

文中建立風(fēng)輪，風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)額定風(fēng)速以上的情況，設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，建立了仿真模型，結(jié)果表明該方法可以有效保持功率穩(wěn)定輸出及維持風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)穩(wěn)定。為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了較好的思路。

1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的建模

1.1 風(fēng)輪數(shù)學(xué)模型

風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪時(shí)產(chǎn)生的功率和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

（1）

（2）

其中，為空氣密度，為風(fēng)輪半徑，為風(fēng)速，為節(jié)距角；為葉尖速比，且，為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；為風(fēng)輪的功率系數(shù)，其表達(dá)式如下：

（3）

其中，風(fēng)能利用系數(shù)隨著節(jié)距角的增加而減小。

1.2 變槳伺服系統(tǒng)

液壓式變槳伺服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和傳遞函數(shù)可分別用一階微分方程（4）和（5）表示：

（4）

（5）

其中，為參考節(jié)距角，為變槳伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。一般來講，為延遲時(shí)間。

1.3 雙頻環(huán)設(shè)計(jì)

雙頻環(huán)優(yōu)化控制如圖1所示。對(duì)應(yīng)風(fēng)速的低頻分量和高頻脈動(dòng)分量，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的非線性模型也可以分為低頻模型和高頻模型。記為對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)低頻變量，一般來講，也作為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)時(shí)的變量。則高頻變量為。雙頻環(huán)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）測(cè)量風(fēng)速值和風(fēng)力發(fā)電機(jī)高速軸轉(zhuǎn)速。

（2）通過低通濾波器獲取低頻環(huán)風(fēng)速，并且推出高頻環(huán)風(fēng)速。

（3）通過轉(zhuǎn)速低通濾波器獲得高速軸低頻環(huán)轉(zhuǎn)速，從而得出高速軸高頻環(huán)轉(zhuǎn)速。

（4）分別將低頻環(huán)風(fēng)速和低頻環(huán)轉(zhuǎn)速作為低頻環(huán)的輸入信號(hào)；將高頻環(huán)風(fēng)速和高頻環(huán)轉(zhuǎn)速作為高頻環(huán)的輸入信號(hào)

（5）總的節(jié)距角通過低頻環(huán)節(jié)距角和高頻環(huán)節(jié)距角求和得出：=+。作為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制輸入。

2 變槳距控制器的設(shè)計(jì)

2.1 PI穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)

低頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的為使功率及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持在其額定值，采用PI控制，PI控制器的輸入分別為電機(jī)高速軸低頻轉(zhuǎn)速和低頻風(fēng)速，為低頻節(jié)距角輸出。低頻環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP控制器設(shè)計(jì)

高頻環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的為使功率保持在其額定值，采用結(jié)構(gòu)為2-4-1的BP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入分別為高頻參考風(fēng)速與實(shí)際高頻風(fēng)速誤差和電機(jī)高頻轉(zhuǎn)速，網(wǎng)絡(luò)輸出為高頻節(jié)距角，BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

3 仿真分析

仿真參數(shù)如表1。

參考文獻(xiàn)[5]給出了低頻環(huán)PI，高頻環(huán)采用LQG控制方法，其輸出功率為如圖4所示，圖5給出了低頻環(huán)采用PI控制方法和高頻環(huán)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出功率。

調(diào)節(jié)風(fēng)速在15m/s到22m/s之間變化，從而調(diào)整節(jié)距角使得功率保持在額定值1.5MW附近，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的恒功率輸出控制。

比較圖4和圖5可以明顯看出采用高頻環(huán)BP控制可以更加有效保持功率穩(wěn)定輸出。

4 結(jié)論

該文對(duì)額定風(fēng)速以上風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙頻環(huán)優(yōu)化控制進(jìn)行了研究。首先建立了風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機(jī)理模型，并將其線性化；然后根據(jù)頻率分離原理，將風(fēng)速分解為低頻風(fēng)速及高頻脈動(dòng)風(fēng)速，設(shè)計(jì)了低頻環(huán)PI控制器及高頻環(huán)BP控制器。仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的雙頻環(huán)優(yōu)化控制器能實(shí)現(xiàn)功率的恒定控制，同時(shí)將該方法與PI-LQG雙頻環(huán)控制方法進(jìn)行了比較，充分證明了該方法的有效性。為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法在風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用上提供了一個(gè)新的思路。

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