基于模糊PI的機側變流器控制研究

李春亞 呂蒙

摘 要：由于風速的隨機性及直驅永磁風電機組的非線性和強耦合性，PI控制無法實現良好的動態性能。文章在機側變流器傳統雙閉環控制策略的基礎上，將模糊控制理論與PI控制相結合，速度外環采用模糊PI控制器，能夠根據實際工況實時對PI參數進行調節。并基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建仿真模型對提出的控制策略進行驗證。仿真結果表明，當風速發生變化時，相比于傳統的PI控制器，模糊PI控制有效地改善了PI控制器響應速度慢、超調大等缺陷，提高系統的動態性能和抗干擾能力。該方法用于直驅永磁風力發電系統是可行的。

關鍵詞：風力發電；變流器；模糊PI

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0087-03

Abstract： Because of the randomness of wind speed and the nonlinearity and strong coupling of direct-drive permanent magnet wind turbine PI control can not achieve good dynamic performance. On the basis of traditional double closed loop control strategy of machine side converter， this paper combines fuzzy control theory with PI control， adopts fuzzy PI controller in speed outer loop， and can adjust PI parameters in real time according to actual working conditions. Based on Matlab/Simulink simulation platform， a simulation model is built to verify the proposed control strategy. The simulation results show that compared with the traditional PI controller， fuzzy PI controller can effectively improve the system dynamic performance and anti-jamming ability by improving the slow response speed and large overshoot of the PI controller when the wind speed changes. The method is feasible for direct-drive permanent magnet wind power generation system.

Keywords： wind power generation； converter； fuzzy PI

引言

隨著人口膨脹和經濟的快速發展，在常規能源急劇減少和環境污染加重的大背景下，發展低碳經濟、提高可再生新能源的比重成為世界各國的首要任務[1]。風能由于儲量豐富，無污染，發電成本相比于其他新能源成本低等優點，其開發利用逐漸受到各國重視。

目前，風電機組常用發電機類型主要有雙饋式發電機和永磁發電機兩種[2]。隨著電力電子技術的發展，永磁同步發電機在風電系統中的應用越來越廣泛，直驅永磁風力發電機組成為風電系統發展的一個趨勢。

1 直驅風電機組數學模型

直驅風電機組結構組成主要包括風力機、永磁發電機、全功率變流器和控制系統。

在永磁直驅風力發電系統中，風機轉速隨著風速的變化而變化，永磁同步發電機與風機直接耦合，發電機轉速也隨之改變。永磁同步發電機的作用是將風能轉換成電能，作為該系統關鍵部件的變流器，主要作用是把永磁同步發電機輸出頻率變化的交流電經過雙PWM變流器轉換成工頻電并入電網。本文主要研究的是變流系統中機側變流器的矢量控制，通過控制發電機的轉速，實現發電機轉速的控制，實現最大風能的捕獲。

1.1 永磁同步發電機數學模型

通過公式（2）可以得到，可以通過直接控制iq來控制轉矩輸出，進一步實現發電機轉速的控制。

1.2 機側變流器控制策略分析

目前，最常用的控制機側變流器方法有矢量控制和直接轉矩控制。鑒于矢量控制具有調速范圍寬，轉矩脈動小，可實現電動機的連續平滑控制的優點[3]，機側變流器為實現對永磁發電機的控制，采用轉速外環、電流內環的雙閉環矢量控制，作為永磁同步電機常用的矢量控制策略。該方法能實現相同電磁轉矩輸出下定子電流最小，對于永磁風力發電機組就是基于轉子磁場定向的矢量控制，即i*d=0。電磁轉矩與電流呈線性關系，電磁轉矩的控制得到簡化。

如圖2所示為機側變流器控制原理圖。根據檢測到的發電機轉速？棕m和給定參考轉速？棕ref，通過轉速控制環得到參考電流值id*和iq*，通過相電流檢測電路獲得定子電流，經過dq坐標轉換得到id和iq，并與電流參考值相比較，通過電流內環PI控制器，獲得空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制所需給定電壓輸入ud和uq，通過SVPWM 產生的脈寬調制信號控制機側變流器，從而實現雙閉環控制。

2 仿真模型的建立

在永磁同步發電機矢量控制中，采用速度環和電流環的雙閉環PI控制，但由于傳統PI參數的確定依賴系統精確的數學模型，風速的隨機性、變流系統的非線性及參數的不確定性等因素，導致PI參數難以整定，且存在著動態性能不足的情況。模糊控制作為一種智能控制方式，將模糊控制與PI控制相結合可以在一定程度上改善永磁發電機的控制性能。本文將模糊控制引入永磁同步發電機的控制系統，速度外環采用模糊PI控制器代替傳統PI控制器，經過模糊推理得到模糊控制器的輸出量？駐Kp和？駐Ki，并將PI參數增量與原有PI參數相疊加，根據風速的大小實現PI控制器參數的自動調節。

2.1 隸屬度函數的確定

轉速環模糊PI控制器為二輸入二輸出結構，其中一個輸入為發電機轉速與參考轉速偏差e，另一輸入為偏差變化率ec，以PI參數變化量？駐Kp和？駐Ki為輸出。輸入誤差e的模糊論域為Ue={-3，-2，-1，0，1，2，3}，誤差變化率ec的模糊論域為Uec={-6，-4，-2，0，2，4，6}；輸出？駐Kp和？駐Ki的模糊論域同為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。輸入輸出模糊子集語言變量取為{NB，NM，NS，ZR，NS，NM，NB}。其中NB隸屬度函數采用Z型，PB隸屬度函數采用S型，其他模糊子集采用三角形隸屬度函數。具體如圖3-5所示。

2.2 模糊控制規則的確定

模糊控制規則的確立以盡快消除誤差，實現系統穩定運行為目的。一般情況下根據|e|的大小來確定。

當誤差|e|較大時，為保證系統具有良好的動態響應，通常Kp選取較大值，為防止超調過大，Ki選取極小值，甚至為零；當誤差|e|為中等大小時，為避免出現過大超調，Kp選較小值，Ki要選取適當值；當誤差|e|較小時，主要目的是保證系統良好的穩態性能，Kp應選取較小值，Ki取稍大值來減小系統穩態誤差。

根據技術人員的經驗和相關專家知識，通過大量仿真試驗，建立模糊控制規則并經適當的修改得到？駐Kp和？駐Ki模糊控制規則如表1和表2所示。

2.3 去模糊化

由模糊推理得直接得到的輸出為模糊值，在實際控制中不能直接應用，需將模糊值通過去模糊化的方法得到精確控制量。常用的去模糊化的方法有重心法、最大隸屬度法和加權平均法。重心法相比于其他兩種方法計算復雜，但計算結果相對精確。本文選擇重心法作為去模糊化的方法，計算方法為：

3 仿真結果分析

本文選擇兩種典型輸入來驗證控制策略的可行性，風速輸入采用典型的漸變風速和階躍風速。圖8為漸變風速時，PI控制器和模糊PI控制器得到的參考轉速與實際轉速對比曲線；圖9為階躍風速下，PI控制器和模糊PI控制器得到的參考轉速與實際轉速對比曲線。

從圖8仿真曲線可以看出，風速在1-2s發生漸變時，模糊PI控制下的發電機實際轉速能更好的跟蹤參考轉速，從圖9曲線可以看出風電機組在啟動和1s風速發生突變時，采用模糊PI控制響應速度更快，超調量更低，在更短時間內發電機實際轉速能迅速收斂至參考轉速值。仿真結果表明，模糊PI控制器克服了PI參數難整定的缺點，根據實時系統輸入對PI參數整定，有效地改善系統的動態性能。

4 結束語

本文介紹了直驅永磁風力發電系統工作過程及機側變流器控制原理，針對機側變流器雙閉環控制中PI參數整定依賴精確的數學模型難整定，且固定的PI參數無法很好適應風速變化的缺點，本文通過模糊推理實時整定PI參數。仿真結果表明模糊PI控制器響應速度和系統的穩定性優于PI控制器。

參考文獻：

[1]白杰.關于風電變流器的技術現狀分析與發展探討[J].科技展望，2016，26（33）：51.

[2]馬偉明，肖飛.風力發電變流器發展現狀與展望[J].中國工程科學，2011，13（01）：11-20.

[3]袁雷，等.現代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.