基于模糊控制的風力發電機組偏航系統研究

宋建軍，張揚，張長安，楊豐

（1.陜西省地方電力（集團）有限公司，陜西西安710061；2.榆林電力設計院，陜西榆林719000）

偏航系統是風力發電機組特有的伺服系統，也稱為對風裝置，它的性能優劣直接影響著機組的整體性能以及對風能的利用效率和發電效率。然而，目前國內對大型風力發電機組偏航系統的控制技術研究甚少。

風作為自然界的產物，具有隨機性的特點，且其方向也在時刻發生著變化，因此在風力發電機組的控制中，偏航系統需要頻繁起動使風輪盡量保持在迎風狀態，以提高風能利用效率。但是風力發電機組在發電狀態下偏航時會產生陀螺力矩波動，進而引發塔架、葉片等的振動，從而對整個風力發電系統的安全性構成威脅，因此偏航系統不適合頻繁起動[1]。此外，近年來風力發電機組的大型化也對偏航系統的穩定性提出了更高的要求。

如果將常規的PID隨動控制器應用于偏航系統中，偏航執行機構很容易因為頻繁動作而損壞[2-6]。模糊邏輯控制作為智能控制的一個重要分支，憑借其突出優點，近年來得到了快速發展，它是模仿人的思維形式進行的一種自動控制，具有較好的動態性能和較強的魯棒性，能夠有效地改善偏航系統的響應速度[7-13]，因此本文提出將模糊控制應用于偏航控制系統中。

1 偏航系統的工作原理

偏航系統是一個隨動的位置伺服控制系統，它的主要作用有2個：一是在可用風速范圍內能夠控制風輪使之穩定地跟蹤風向變化，在非可用風速范圍下可以進行90°側風控制；二是在由于持續跟蹤風向而造成電纜纏繞超過規定限值的情況下能夠自動解纜，保障風電機組的安全運行。

如圖1所示為偏航控制系統的原理框圖，其工作過程可描述為：風向標實時地檢測風向的變化情況，并用電信號將檢測結果傳遞到偏航控制器中，經過計算可以確定風向信號和機艙中心線的夾角，從而決定是否需要啟動偏航機構來調整機艙的方向。如果需要啟動，微處理器會發信號給偏航驅動機構，帶動風輪偏航對風，最終將風機調整到與風向一致的位置[14]。

圖1 偏航控制系統原理框圖

2 偏航系統模糊控制器的設計

2.1 輸入輸出變量模糊化

本文假設風向偏離風輪軸心線的角度一直處于自動偏航的設定值范圍內，偏航控制器將本次獲得的風向信號與上一次的風輪軸心線位置信號進行比較后給出一個角度偏差值。文中偏航控制器選用二維模糊控制器，其輸入量為角度的偏差E和偏差變化率EC，輸出量為偏航角度控制量U。

將輸入語言變量E、EC、U用7個語言變量來表示[15]：{NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）}。

由自動偏航控制的要求，取角度的偏差E的基本論域為（－15°,15°）,偏差變化率Ec的基本論域為（－10,10），偏航控制量U的基本論域為（－60°,60°）。選擇偏差E、偏差變化率Ec及被控量U的模糊論域為X,Y,Z＝{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，則有：

偏差的量化因子為

偏差變化率的量化因子為

被控量的比例因子為

偏差E、偏差變化率Ec和被控量U的模糊子集的隸屬度函數μ(x)，μ(y)，μ(z)均采用三角形函數[16]，如圖2所示。

圖2 模糊變量E的隸屬度函數

2.2 模糊控制規則的建立

如表1所示，為風機偏航系統模糊控制器的控制規則表。其中，控制量變化的選取總原則是當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當誤差小或較小時，選擇控制量需要注意防止超調，以系統穩定為主[16-17]。

表1 偏航系統模糊控制規則表(U值)

2.3 模糊推理和解模糊方法

本文采用MIN-MAX推理法進行偏航控制系統的模糊推理，解模糊時采用重心法。

3 軟件流程圖設計

當風向與機艙中心線的偏離角度在自動偏航設定值范圍之內時，通過偏航模糊控制器進行自動迎風控制，如圖3所示為模糊控制實現過程的流程圖。

圖3 模糊控制流程圖

根據風向標傳感器對角度信號的分析，可以設計偏航方向確定過程的流程如圖4所示。

圖4 偏航方向確定過程流程圖

4 仿真結果與分析

4.1 仿真模型圖

如上所述，偏航系統具有非線性和隨動性，精確的數學模型難以建立，所以本文采用下述簡化數學模型[18]來確定其傳遞函數為

對于變槳距變速風力發電機組而言，當工作在10 m/s的風速下，風壓力為130 N/m2時，經計算可得系數Km=65,Tm=500。故此時偏航系統的傳遞函數為

圖5所示為在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建的含模糊控制器的風力發電機組偏航控制系統仿真模型。

圖5 含模糊控制器的偏航系統仿真模型

4.2 仿真結果及比較

對上述含模糊控制器的偏航系統加階躍信號進行仿真，并與PID控制器的仿真結果（經試湊，PID控制器的最佳調節參數為kp=50，ki=0.001,kd=20）進行比較，得到的響應曲線如圖6所示，其中橫坐標為時間，縱坐標為響應幅值。

4.3 仿真結果分析

以上仿真結果表明：與傳統的PID控制器相比，模糊控制器的性能更為優越，它具有超調量低、振蕩小的優點。另外，從圖6還可以看出，模糊控制器仿真曲線的響應時間比PID控制器的要快1.5 s。同時要求偏航系統無超調，因為風機機艙的安裝高度一般都在數十米甚至上百米，在這樣的高空進行自動對風時，若響應出現超調，會使偏航系統頻繁起動，導致機艙不穩定。因此，采用模糊控制器可在保證偏航系統穩定性的前提下具有更快的響應速度。

圖6 模糊控制器與PID控制器仿真曲線對比圖

5 結語

由于風向變化具有隨機性和不確定性的特點，如果將傳統的PID隨動控制器應用于偏航系統中，雖然可滿足基本要求，但是響應速度較慢，會導致風能的浪費。所以本文設計了一種模糊控制器來完成對偏航系統的控制。仿真結果表明，模糊控制系統的整體性能要優于PID控制系統，它能同時滿足偏航系統對控制精度和穩定性的要求，因此可以更好地達到預期的控制目標。

[1]樸海國，王志新.風電機組偏航Fuzzy-PID合成控制系統仿真[J].電工技術學報，2009，24（3）：183-188.

[2]孫曉玲,惠晶.基于自適應模糊PID算法的光伏系統MPPT控制[J].現代電子技術，2010，33（22）：181-183.

[3]李文華.改進蟻群算法優化PID控制在水力發電機組中的應用研究[J].西北水電，2010（3）：67-70.

[4]李艷華，侯樹文，柏鎮.基于GA的BP神經網絡智能PID控制在水力發電機組中的應用[J].西北水電，2007（4）：62-66.

[5]李萍，蔡維由，肖志懷.水輪機調速系統的Fuzzy-PID復合控制及其Matlab仿真模型[J].西北水電，2004（1）：39-41.

[6]夏曉敏,王坤琳,吳必軍.小型風電系統MPPT模糊／PID控制仿真研究[J].能源工程，2010（1）：26-31.

[7]林輝.基于模糊控制的感應電機直接轉矩控制系統[J].現代電子技術，2010，33（21）：151-153.

[8]李銀輝,張建華,李勝,等.T-S模糊控制器設計新方法及應用仿真[J].電網與清潔能源,2009,25(6):62-64.

[9]張禮勝,李全.基于模糊控制的光伏電池MPPT的設計[J].現代電子技術，2009，32（15）：165-167.

[10]陳瑩,崔旭東,黃偉鋒.基于PLC的水力發電機組模糊控制器的設計[J].西北水電，2006（1）：46-50.

[11]陳俊,惠晶.基于模糊策略的光伏發電MPPT控制技術[J].現代電子技術，2009，32（6）：182-185.

[12]劉昊,張艷,高鑫,等.基于RBF神經網絡與模糊控制的短期負荷預測[J].電網與清潔能源,2009,25(10):62-66.

[13]張晶，曾憲云.基于MATLAB／SIMULINK直流電機調速系統模糊控制的建模與仿真[J].現代電子技術，2002，25(4)：12-15.

[14]CHEN Fu-qing,YANG Jin-ming.Fuzzy PID Controller Used in Yaw System of Wind Turbine[C]//20093rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications.Hong Kong:IEEE Computer Society,2009:1-4.

[15]孫增圻.智能控制理論與技術[M].北京：清華大學出版社,2007:42-67.

[16]ZHAO Jin,Bimal K Bose.Evaluation of Membership Functions for Fuzzy Logic Controlled Induction Motor Drive [C]//IEEE 200228th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,Sevilla:IEEE Computer Society,Sevilla,Spain,vol.1,2002:229-234.

[17]李嵐，王秀麗.風力發電系統有功功率模糊控制器的設計[J].太陽能學報，2007，28(11)：1272-1277.

[18]Kung Chris Wu，Rony K Joseph Nagendra K Thupili.Evaluation of Classical and Fuzzy Logic Controllers for Wind Turbine Yaw Control [C]//Proceeding of the 1st IEEE Conference on Aerospace Control Systems.Thousand Oaks:CA,1993:254-258.