內模PID在風力發電系統變槳距控制器中的應用

盧秀和,耿聰

(長春工業大學 電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

1 引言

針對變槳距風力發電系統槳距調節控制器的數學模型復雜,受參數變化和外部干擾嚴重,具有非線性、時變、強耦合的特點,在設計數學模型的最優反饋控制器時,?；趯^程動態模型求逆的方法來實現,此時雖然能獲得較理想的調節性能,但是這種逆模型受過程內在的限制一般不易實現。而內?？刂朴捎谄湓O計簡單、控制性能好且具有系統分析方面的優越性等,已成為提高常規系統設計水平的有力工具。但在實際系統中由于需要加入過程模型模塊,而使其又具有一定的應用難度。內?？刂频腜ID(IMC-PID)控制不僅降低了內模控制應用的難度,而且與經典PID控制相比,內?？刂苾H有一個整定參數,參數調整與系統動態品質和魯棒性的關系比較明確,對解決復雜系統的控制分析具有明顯的優越性[1]。

2 變槳距控制器的IMC-PID數學模型建立

風力發電機投入電網以后,由于變槳距系統的響應速度受到限制,對快速變化的風速,僅通過改變槳葉節距角(以下稱為槳距)來控制輸出功率的效果并不理想。因此,本文設計的變槳距控制器在進行發電機功率控制的過程中,其功率反饋信號不再作為直接控制槳距的變量,而是由風速和發電機轉速作為變槳距控制的基本參量。當風速高于額定風速時,允許發電機轉速升高,將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來,轉速降低時,再將動能釋放出來,并跟隨優化的槳距和風速關系,控制風機槳距從而使功率曲線達到理想的狀態?；诖嗽淼臉嗫刂破鹘Y構模型見圖1。它是一個多變量耦合的控制過程,為引入IMC-PID控制,先對部分參變量進行線性化處理以實現解耦[2]。

圖1 變槳距控制器結構框圖Fig.1 Variable pitch controller structure diagram

由圖1中可看出葉尖速優化曲線是槳距與風速的二次曲線。在低于額定功率的情況下,為了通過捕捉最佳的葉尖速來對槳距進行控制,可將其近似為一個分段線性曲線的組合形式,即可以等效成在控制對象之前,加入一個增益可變的比例環節,且設比例系數為Kw。

根據經典PID方法,對控制過程傳遞函數進行參數整定的經驗值,可設計出其控制對象的模型為

因為是純滯后過程所以加入了e-4s。引入 IMC控制,假設模型沒有誤差,其IMC控制系統各環節傳遞函數可表示成圖2結構形式[3]。

圖2 IMC-PID變槳距控制器傳遞函數框圖Fig.2 IMC-PID variable pitch controller transfer function block diagram

對純滯后時間采用一階Pade近似處理,得內部模型為

對內部模型進行分解

可得到理想控制器:

所以根據IMC-PID控制方法得到的控制器傳函為

可以看出基于此控制思想設計的控制器就等同于經典PID控制模式,設計思想簡單,不過分依賴于被控對象,參數單一,調整方向明確,比較適合于對該變槳距控制器的實際控制[3]。

3 基于DSP的變槳距控制器的設計

3.1 硬件設計

DSP具有很高的運算速度和很好的性價比,能夠對數據進行快速運算完成各種反饋算法。本設計選用的 TMS320LF2407A是可以為高性能傳動控制提供先進、可靠、高效的信號處理與控制的硬件,有利于提高控制器的效率和性能。變槳距控制器的硬件結構圖如圖3所示。

圖3 變槳距控制器硬件結構圖Fig.3 Variable pitch controller hardware structure diagram

由于要跟隨槳距和風速的優化關系曲線,來達到發電機恒功率輸出的控制目的,因此需要對風速、電機轉速、定子電流及槳距這幾個變量進行檢測。其中由風杯獲得的風速信號、由霍耳傳感器獲得的定子電流信號及由差動變壓器獲得的槳距信號經由A/D調理電路后通過DSP內置的10位模數轉換器進行采樣。對轉子轉速的檢測采用光電編碼器,而利用DSP特有的輸入捕獲功能可以很容易地檢測出編碼器輸出的轉速信號,而且可以通過CAP1與CAP2的相位分辨出正、反轉。

基于檢測到的參變量,結合IMC-PID控制數學模型,追隨槳距和風速的變化規律,依靠DSP強大的計算能力,對數據進行實時分析和處理,通過調整濾波時間常數Tf達到控制目的。系統的輸出包括兩方面:一方面是對槳距的調整;另一方面輸出是對逆變器的控制信號。其中輸出的槳距控制信號經由光電隔離裝置后作用于槳距液壓驅動裝置,完成對槳距的調整;逆變器的控制信號則是來自DSP事件管理器產生的空間矢量PWM波,它可以使在三相交流電機的繞組中產生的電流諧波失真最小,更有效地實現對電機的控制。

本設計變槳距控制器同時具有實時操作顯示及上位機通訊功能。由ST7920液晶顯示屏完成控制器命令和參數的實時顯示,并通過4×4鍵盤完成對控制器的人工現場操作。同時也可通過RS-232標準總線協議完成與上位機的通訊。另外,控制器具有過電流及過電壓保護功能,在檢測到由于外界原因而使電壓或電流急劇上升而導致控制器不能正常運行的時候,會自動停止控制并發出報警信息。

3.2 軟件設計

控制器的軟件方面可分為3部分:1)與上位機通訊,完成人機交互界面的程序設計;2)基于反饋量應用控制算法的程序設計;3)對控制器實時保護的程序設計?？刂瞥绦蚩驁D如圖4所示。

當控制器通電,首先對系統進行初始化,然后執行循環掃描是否有控制命令輸入,并同時開啟保護程序。保護程序通過使用定時器中斷,每5 s檢測一次系統的實時參數,若有異常,判斷故障類型給出故障顯示,終止控制器運行。由于通過定時器控制在后臺運行,不影響其他程序的正常運行。當控制器接到控制命令后先判斷是要進行上位機通訊還是對風力發電系統進行實時控制。

圖4 控制器軟件流程圖Fig.4 Controller software flow chart

在對風力發電系統的實時控制程序中,首先對風速、槳距、電機轉速、定子電流進行檢測,并對檢測值進行整合計算,依據槳距和風速的對應關系數表,結合IMC-PID控制算法,計算出輸出控制量,給出執行機構控制信號。由于與經典PID算法相比僅需要對一個濾波時間常數進行調整,因此軟件算法設計更為簡便,并且控制效果更為直接、快速。

4 仿真結果

本設計基于IMC-PID的控制思想,分析并構造出IMC-PID變槳距控制器。依據傳遞函數,在Matlab/Simulink仿真環境中搭建控制器的仿真模型,如圖5所示。

圖5 控制器仿真模型Fig.5 Controller simulation model

在階躍信號輸入下,IMC-PID控制器與經典PID控制器的仿真結果對比如圖6所示。其中經典PID控制器所選取的參數為:KP=1,Ti=2,Td=2;IMC-PID控制器參數分別為:Kw=1,且分別取 Tf=0.1,0.5,1.2,2.5,4種情況[4]。

通過仿真結果可以看出:IMC-PID控制要遠遠優于經典的PID控制,且具有超調小于1%,響應速度在3～8 s范圍內,系統魯棒性好等特點,同時也看出,在IMC-PID控制中,只整定單一的濾波時間常數Tf即可,且在0.1～2.5 s范圍內,隨著Tf的減少,可明顯提高系統的響應速度,但系統魯棒性與 Tf成反比降低,故本系統綜合考慮,選取 Tf=1.2。

圖6 經典PID與 IMC-PID控制仿真對比曲線Fig.6 Classic PID and IMC-PID control simulation comparison curves

同時對參數為:風輪直徑1.5m,額定風速10 m/s,額定功率5 kW的風機模型的輸出功率特性進行仿真,結果如圖7所示。

圖7 風機輸出功率曲線Fig.7 Wind turbine power output curves

由仿真結果可以看出,不管槳距如何大范圍的變化,電機的輸出功率仍可以維持恒定,體現了變槳距控制器的穩定性好,對系統實時調節的響應速度快,準確度高等優點。

5 結論

本文分析了風力發電系統存在時變性、耦合性以及模型復雜不便于設計和系統控制等方面的問題,通過采用內模 PID理論和參數整定的方法,簡化了系統模型,并分析得出了通過只整定濾波時間常數——這一單參數來設計內?？刂破鞯囊环N簡捷內模PID控制方法,同時設計了風力發電系統變槳距控制器。結合實際參數和Matlab方法,與普通的PID控制進行了實驗仿真對比,驗證了該方法的可行性。仿真結果表明,基于該控制器控制的風機輸出功率恒定,且控制過程具有超調量小、響應時間快、抗干擾性強、魯棒性好等明顯的優點,為推廣到多參數時變系統上應用提供了可借鑒的思路。

[1]王樹青.先進控制技術[M].北京:化學工業出版社,2001.

[2]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]潘笑,鐘祎勍.基于IMC的PID控制器的設計實現[J].計算機仿真,2005,22(8):80-82.

[4]張玉華,李振凱.基于模糊控制的風力發電系統變槳距控制器的設計[J].現代電力,2007,24(6):58-61.

[5]王東風,王劍東.基于內模原理的PID控制器參數整定[J].華北電力大學學報,2003,30(4):42-46.