基于模糊控制的風電機組變槳距控制

尹東陽　盛義發

摘 要：針對風力發電機組非線性、時變性的問題，提出采用模糊PID控制器作為變槳距控制器，在風速高于額定風速時，依據風速變化情況調整槳距角，從而使風電機組保持恒功率輸出，最后在MATLAB平臺上搭建仿真模型。結果表明，采用模糊PID控制比傳統PID控制具有更好的動態性能和靜態誤差，能夠優化變槳距控制方法。

關鍵詞：風力發電機組；變槳距控制器，模糊控制；MATLAB仿真

Abstract：Aiming at the problems of nonlinear， time-varying in the wind turbines， Fuzzy PID controller is established as a variable pitch controller. Pitch angle is adjusted according to wind speed to keep constant power output when the wind speed is higher than the rated wind speed。Finally，building the simulation model in the MATLAB platform.Results show，Fuzzy PID controller has better dynamic performance and static error than the traditional one. It can optimize the variable pitch control method.

Key words：Wind turbines；Variable pitch controller；fuzzy logic control；The MATLAB simulation

1 引言

風速的隨機性和不確定性，使得風速跟蹤、預測以及風電機組的控制成為風力發電中的關鍵技術[1]。模糊PID控制將常規PID控制與模糊控制相結合，具有控制精度高、控制動態響應好、超調量小以及能夠消除靜態誤差的特性，在風電機組控制應用中具有不可比擬的優勢[2-3]。對風力機進行調節時，變槳距調節能更大程度地獲取風能且輸出功率平穩，因此，深入研究基于模糊PID的風電機組變槳距控制方法具有實際的工程應用意義。

2 風電機組的建模

常用的風電機組一般分為風輪、傳動、雙饋異步發電機、變槳四個子系統。為了定量分析發電機組的系統特性，建立其物理模型，如下：

2.1 風輪模型

假設軸向流過風輪的風速為v（m/s），風輪捕獲功率和轉動轉矩為[4]：

其中，ρ為空氣密度（kg/m3），A為風輪的面積（m2），R為風輪半徑（m），Cp為風能利用系數，ω為風輪轉速（rad/s）。

風能利用系數帶包風輪吸收風能的能力，一般用如下關系式表示：

從式（3）和式（4）可以看出，風能利用系數隨槳距角的增大而減小，因此，可以通過調節槳距角限制風輪捕獲的風能達到恒功率控制的目的。

2.2 傳動系統模型

風力發電機組的剛性軸模型可表示為[5]：

其中，Jm、Je：風輪、電機的轉動慣量（kg/m2），G：齒輪箱增速比，ωr：風輪角速度（rad/s），Te、Tα：發電機電磁力矩和風輪氣動力矩（N/m），B：傳動系統等效阻尼系數。

2.3 雙饋異步發電機模型

假設討論的異步雙饋電機為理想電機，忽略磁滯、鐵磁飽和、定轉子齒槽和渦流影響[6]。有

g為發電機極對數，m1為電源相數，U1為電網電壓（V），ω1為發電機的同步轉速（rad/s），C1為修正系數，r1、x1為定子繞組的電阻和漏抗（Ω），r2、x2為歸算到轉子側轉子繞組的電阻和漏抗（Ω）。

2.4 變槳距系統模型

考慮到變槳距系統的時滯特性，選擇帶遲延的一階慣性環節模擬變槳距機構，得傳遞函數[7]：

Tβ、τ分別為時間常數和遲延時間（s），βref為參考槳距角（?）。

3 模糊PID變槳距控制器的設計

3.1 模糊控制的基本原理

模糊控制首先是由加利福利亞大學教授L.A.Zadeh[8]提出，將模糊集合論、模糊語言和模糊邏輯推理相結合的計算機智能控制的方法。模糊控制的基本思想是將微機獲取的中斷采樣精確值與給定值相比較得到偏差信號e，并且將e、ec的準確值模糊化為模糊量E、EC，用相應的模糊語言表示偏差e、ec的模糊量，得到模糊語言子集，再依據模糊推理的合成規則對模糊子集和模糊關系進行模糊決策，得到模糊控制量 最后反模糊化得到精確控制值，實現整個被控過程的精確控制[9]。

3.2 模糊PID變槳距控制器的設計

風電機組采用傳統的PID控制器時，在高于額定風速的情況下呈現很強的非線性，穩定工作區域具有局限性；且PID控制的慣性和延遲特性，可能在風電機組并網運行的過程當中給電網造成較大的沖擊。采用模糊控制時，控制精度較差，且難以消除系統穩態誤差。根據事先給定的偏差閾值，結合模糊控制和PID控制事先模糊PID控制，在較大偏差范圍內可實現快速穩定的調節，在較小偏差非為內切換至PID控制，可消除系統穩態誤差，從而達到良好的控制效果。其具體控制過程如圖1所示：

首先，風電機組輸出功率的負反饋與額定功率差值比較，進行模糊控制，對槳矩角進行初步的調整；接著，PID控制器根據模糊控制的輸出，進行負反饋調節，從而通過雙負反饋達到調整槳距角的效果。

模糊控制器設置的關鍵是建立合適的模糊判定規則表，本文中設定輸入功率誤差E，其誤差導數為DE，模糊輸出槳距角β的5個模糊子集分別表示正中、正小、近零、負小、負中。分別用PM、PS、ZO、NS、NM表示，模糊判定規則表如表1所示。一般根據設計人員的實際操作經驗和技術知識給出。

4 仿真結果與分析

仿真所用的風力發電機參數如下：額定功率1.5MW，風輪直徑64m，額定轉速1500r/min，額定風速19m/s，風輪機切入風速 3m/s，切出風速28m/s，空氣密度1.225kg/m3，β角調整范圍0～25?，轉子轉動慣量為6.27×104kg·m2。

設定模糊控制器的主要參數為：E的論域[-105，105]，DE論域[-2×104，2×104]，β論域為[-25?，25?]。取高斯函數為模糊模糊集的隸屬函數。

在MATLAB中用隨機函數產生的120s風速曲線如圖2所示，可以看出，風速是一條無規律、不規則變化的曲線。本文只是對額定風速以上的變槳距恒功率控制進行研究，因此，產生的風速值均大于19m/s。

將此風速值進行模糊化后作為模糊PID變槳距控制器的輸入，得到變槳距調節曲線如圖3所示

從圖3可以看出，采用模糊PID控制器對槳距角的調節范圍在規定角度以內，并且調節角度比較準確，波動相對較小，可以滿足控制系統對槳距角調節的要求。

在給出的風速條件下，風力發電機組的輸出功率曲線如圖4所示。

輸出功率保持在額定功率1.5MW附近，波動范圍較小，在10%誤差以內，并且響應速度較快，基本上滿足恒功率控制要求。

5 結論

本文針對風力發電機組非線性、多變量的特性，在額定風速以上，設計模糊PID控制器調節槳距角，是輸出維持在額定功率附近保持恒功率輸出。仿真結果表明，本文提出的模糊PID控制方法優于傳統PID控制，其變槳過程穩定，具有較好的動態和穩態性能，提高了系統的魯棒性。

[參考文獻]

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