变速恒频风力发电机组的模糊控制-o

JournalofXinjiangUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.21,No.1Feb.,2004

变速恒频风力发电机组的模糊控制

程　静1,王维庆1,岳　雷2

Ξ

(1.大学电气工程学院,乌鲁木齐830008;2.乌鲁木齐铁路局勘测设计院,乌鲁木齐830000)

摘　要:简要介绍了变速恒频风力发电机组的控制原理,对变速恒频风力发电机组在高于额定风速运行时的变速桨距调节设计了模糊控制器,并用MATLAB对该控制器进行了仿真.关键词:变速变桨;模糊控制器;MATLAB

中图分类号:TP273+.4　　文献标识码:A　　　文章编号:100022839(2004)0120056204

FuzzyControloftheVariableSpeedPitchRegulatedGenerator

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CHENGJing,WANGWei2qing,YUELei

(1.CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830008,China;2.CollegeofSurveytoDesign,UrumqiRailwayBureau,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Abstract:Thispaperintroducessimplythecontroltheoryofthewindturbine,andafuzzycontrollerisdesignedforvariablespeedpitchregulatedofthegeneratorwhenthespeedofwindislowerthanthegivenone,thensim2ulateditbyMATLAB.

Keywords:variablespeedpitchregulated;fuzzycontroller;MATLAB

　　风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距,又发展到近年来开始采用的变速变桨(变速恒频)控制技术,其目的是为了更可靠地运行,获取最大能量转换效率,提供良好的电力质量.为了实现这一控制目标,必须对风机进行有效地控制.无论是经典控制理论还是现代控制理论都需要建立系统的精确数学模型,但由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性,系统的模型不易确定.与经典的控制策略相比,模糊控制的优势就在于模糊控制器无需精确的数学模型即可由微处理器执行控制功能,对于非线性多变量的风力发电机组控制系统能产生令人满意的效果.

1　基本概念及原理

　　变速恒频风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现:在额定风速以下时,主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化,以获得最佳叶尖速比,跟踪最佳功率曲线,使风力发电机组具有最高的风能转换效率;在高于额定风速时,主要通过变桨距系统改变桨叶节距来风力机获取能量,使风力发电机组保持在额定值以下发电,功率输出更加稳定,并使系统失速负荷最小化.变速桨距调节控制如图1所示:

图1　变速桨距调节控制原理图

Ξ收稿日期:2003201206

基金项目:国家“十五”“863计划”项目(2001AA5120102123)

作者简介:程静(19802)女,硕士研究生,研究方向:控制理论与控制工程.© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

第1期程静等:变速恒频风力发电机组的模糊控制57

　　本文只针对风速高于额定风速的情况,进行了模糊功率控制器的设计.

在高风速状态下,能量的获取将受到发电机组物理性能的,风力机的风轮转速和能量转换必须低于某个极限值,否则各部件的机械和疲劳强度将会受到挑战.因此在高风速的情况下,风速作大幅度变化时,保持发电机恒定的功率输出,并使风力机组的传动系统具有良好的柔性,是高于额定风速时的控制目标.

图2　输入功率误差E的隶属度函数

2　模糊功率控制器的设计

2.1　方案

本文采用改变桨叶节距角以改变空气动力转矩的方法来调节风力机的功率系数.以桨叶节距角为输入量,以风力机的输出功率为输出量.在此基础上,进行功率调节的模糊控制器的设计,目标是在高于额定风速的任意风速下,通过模糊控制器调节桨叶节距角,以此调节风力机的功率系数,将功率输出在允许的范围之内.

因此采用功率误差E=Pmax2Pout以及功率误差变化率EC为模糊功率控制器的被控量,以桨叶节距角的变化量U为控制量的控制方案.2.2　模糊控制器的设计

考虑到正、负两个方向及零状态,共用七个文字变量来描述功率误差和误差变化率以及控制量桨叶节距角变化量,即:{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用英文缩写表示为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}.

模糊功率控制器输入量功率误差E的基本论域为[-30W,+30W],功率误差变化率EC的基本论域为[-60W󰃗,6°].S,60W󰃗S],控制量U的基本论域为[-6°

输入功率误差E、误差变化率EC以及输出桨叶节距角变化量U的隶属度函数图分别如图2、3、4所示:

　　　　图3　输入功率误差率EC的隶属函数　　　　　　　　　图4　输出桨叶节距角变化量的隶属度函数

若选E和EC及U的论域X、Y、Z为:X=Y=Z={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.由各语言变量的隶属函数建立其赋值表如表1所示:

表1　语言变量E(EC)的赋值表

E

-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6

语言值

PBPMPSZONSNMN0BΛ(X)

0

000001000000.50.5000001000000.50.5000001000000.50.5000001000000.50.5000001000000.50.5000001000000.50.5000001000000　　　　　　语言变量EC的赋值表与语言变量E的赋值表相同.

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5学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年表2　语言变量U的赋值表

U

-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6

语言值

PBPMPSZ0NSNMNBΛ(X)

000000.2100000.20.70.700000.710.20000.210.700000.70.70.2000010.200000.10.7000000.70.200000.21000000.70.700000.210.200000.70.70000010.200000　　建立模糊控制规则时,选取控制量变化的原则是:当误差大或较大时,以尽快消除误差为主,而当误差小或较小时,要注意防止超调,以系统的稳定性为主要出发点.

当误差为负大(正大)的时候,若误差变化为负(正),这时误差有增大的趋势,为尽快消除已有的误差并抑制误差变大,控制量的变化应取正大.当误差为负(正)而误差变化为正(负)时,系统本身已有减少误差的趋势,所以为尽快消除误差且又不超调,应取较小的控制量.若误差变化为正大或正中(负大或负中)时,控制量不宜增大,否则造成超调会产生正误差,因此这时控制量变化取为0.当误差为负小(正小)时,系统接近稳态,若误差变化为负(正),选取控制量变化为正中或正小以抑制误差往负(正)方向变化;若误差变化为正(负),系统本身有趋势消除负小的误差,选取控制量变化为正小或0即可.根据上述控制原则,将其写成模糊控制语句形式,可用模糊控制规则表表示如表3:

表3　模糊控制状态表

ECENBNMNSNOPOPSPMPBPBPMPSPSZOZOZOZOPBPMPSPSZOZOZOZOPBPMPSPSZOZONSNSNB

NM

NS

ZOUPMPSPSZOZONSNSNMPSPSZOZONSNSNMNBZOZOZOZONSNSNMNBZOZOZOZONSNSNMNBPS

PM

PB

　　运用表1、表2的隶属函数,对表3给出的控制规则分别通过计算,求出相应的模糊关系进行模糊推理合成运算,建立一个模糊控制总表如表4:

表4　模糊控制总表

ECE

-6-5-4-3-2-10U

123456

------0

1234566321

6565333210000555533321000065653332100005542-----11111----656533100233365653310-----223333565310------135656------3332000335656133100-------1335656-------0110001225555000----------1123335656----------0001123335555----------0001123335556© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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　　有了模糊控制总表,系统运行时控制器的在线运算就只需要将误差E和误差变化率EC的实测值离散并量化到相应的论域中,再根据它们的量化值查询模糊控制总表,即可得到控制量在量化论域中的值,最终获得加在控制量上的精确值.

3　仿真结果

　　用MATLAB模糊逻辑工具箱对高于额定风速时(V=20.5m󰃗s情况下)进行仿真,仿真结果如图5.

　　仿真结果表明,模糊控制器具有非线性PD控制规律的特点,从而有利于保证系统的

稳定性,并可减少响应过程的超调量以及消弱其振荡,能够取得让人满意的结果.

4　结　论

图5　仿真结果

　　风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变矩技术的变速运行,基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想的向电网提供电力的目标。而模糊控制的引入克服了其它控制技术的缺点,使控制系统更加简单实用,达到了更高效率、高质量的向电网提供电力的目的.

参考文献:

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责任编辑:陈　勇

(上接第33页)

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责任编辑:王宪清

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