風電發(fā)電功率預測模型改進研究

陳凱

摘 要： 為了提高風力發(fā)電機的發(fā)電功率和使用效率，需要進行風電發(fā)電功率有效預測， 實現(xiàn)電機優(yōu)化控制。提出一種基于模糊PID的風電發(fā)電功率預測模型。首先建立風電發(fā)電機的電路模型，以風電發(fā)電機的輸出目標電流、輸出功率、勵磁電流和動子電流等參量為約束參量模型，進行風電發(fā)電機的控制器模型設計。在優(yōu)化控制模型中，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預測的模糊PID控制目標函數(shù)，并進行最優(yōu)解求取，實現(xiàn)發(fā)電功率有效預測。實驗結(jié)果表明，采用該方法進行風電發(fā)電功率預測的精度較高，收斂性較好，有效提高了風電發(fā)電機的輸出效率。

關(guān)鍵詞： 風電發(fā)電； 功率預測； 優(yōu)化控制； PID

中圖分類號： TN830.4?34； TM359 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0169?03

Abstract： In order to improve the generation power and application efficiency of wind generator， the power prediction for wind power generation is needed to achieve optimal control of the generator. A fuzzy PID based power prediction model of wind power generation is proposed in this paper. The circuit model of wind power generator is built， and then the controller model for wind power generator is designed by taking the parameters of output goal current， output power， excitation current and rotor current of the wind power generator as the constraint parameter model. In the optimized control model， the fuzzy PID control objective function for generation power prediction is established according to Kirchhoff voltage loop model， and its optimal solution is obtained to achieve effective generation power prediction. The experimental results show that the method has high precision and good convergence for power forecasting of the wind power generation， and can improve the output efficiency of wind power generator effectively.

Keywords： wind power generation； power prediction； optimal control； PID

0 引 言

隨著人們對風能利用和開發(fā)的不斷深入，風力發(fā)電向系統(tǒng)化和大功率方向發(fā)展，且電機設計和制造工藝越來越成熟，能高效地采集風能并得到大功率的電能輸出。風力發(fā)電具有綠色污染的特點，成為新能源開發(fā)的主要方向，風力發(fā)電機是利用風能推動電機組的三相定子繞組進行旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能的發(fā)電子裝置，風力電機是一種永磁勵磁繞組電機，具有多變量、非線性的特點[1]。由于風能輸入的不確定性，導致對風力電力的功率預測難度較大，需要研究一種有效的風電發(fā)電功率預測模型，提高風電機的控制品質(zhì)。本文提出一種基于模糊PID的風電發(fā)電功率預測模型，首先進行電機工作原理分析和電機控制模型設計，然后進行功率輸出預測約束參量分析，采用模糊PID算法實現(xiàn)功率輸出優(yōu)化預測，最后進行仿真實驗分析，得到有效性結(jié)論。

1 電機模型分析與約束參量描述

1.1 風力發(fā)電機模型分析

為了實現(xiàn)對風電發(fā)電功率預測模型改進設計，首先需要構(gòu)建風電機的電機結(jié)構(gòu)模型，風力發(fā)電機采用平板式電磁耦合設計方法，構(gòu)建風力發(fā)電的直線感應電機模型，建立單定子的風力電機的等效電路模型如圖1所示。根據(jù)圖1所示的單定子風力電機等效模型進行輸出功率預測的模型參數(shù)分析，電機的負載電阻為[Req]，電機定子繞組間通過整流和濾波輸出電磁推力，負載電阻等效為：

電樞反應互感項由負載、頻率決定，通過上述對風力發(fā)電機模型分析，進行風力發(fā)電機的輸出功率預測，構(gòu)建預測約束參量模型。

1.2 功率預測約束參量分析

在建立風電發(fā)電機的電路模型的基礎上，以風電發(fā)電機的輸出目標電流、輸出功率、勵磁電流和動子電流等參量為約束參量模型[3]，構(gòu)建電磁轉(zhuǎn)矩方程，進行功率預測目標函數(shù)構(gòu)建，得到功率預測約束參量描述為：

2 PID預測模型

在上述進行了風電發(fā)電的電機等效電路設計和預測約束參量分析的基礎上，進行模型優(yōu)化，本文提出一種基于模糊PID的預測模型，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預測的模糊PID控制目標函數(shù)[4]，基爾霍夫電壓回路方程描述為：

3 實驗測試分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)風電發(fā)電功率預測中的應用性能，進行實驗分析，實驗中的電源供電電壓[B]=30 V，電機電磁繞組的磁密在2.5～5.5之間取值，初級側(cè)和次級側(cè)的輸出功率分別為[Pe=0.907 8k″eBnmaxf2]，[Px=0.96k″xB1.5maxf1.5]，電壓增益為12 V，電磁耦合器的勵磁電感為229 H，轉(zhuǎn)矩輸出為12 N·m，風力采集的分布三維空間范圍為1 200 m×2 000 m×20 m，風機發(fā)電過程中的負載、頻率以及定子并聯(lián)耦合參數(shù)分別為[A1=0.3，ω1=0.07π]，[A2=2，ω2=0.09π]，

4 結(jié) 語

本文提出一種基于模糊PID的風電發(fā)電功率預測模型，建立風電發(fā)電機的電路模型，以風電發(fā)電機的輸出目標電流、輸出功率、勵磁電流和動子電流等參量為約束參量模型，進行風電發(fā)電機的控制器模型設計。在優(yōu)化控制模型中，根據(jù)基爾霍夫電壓回路模型建立發(fā)電功率預測的模糊PID控制目標函數(shù)，并進行最優(yōu)解求取，實現(xiàn)發(fā)電功率有效預測。

仿真結(jié)果表明，采用該方法進行風電發(fā)電功率預測的精度較高，收斂性較好，有效地提高了風電發(fā)電機的輸出效率，性能優(yōu)越。

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