试议模糊基于模糊PID风力发电机组变桨距制约研究
最后更新时间：2024-02-28
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论文导读：同步转速附近。其中，转速控制的参考值为同步转速值。转速反馈信号与该值比较，当转速小于参考值时，叶片就向着迎风面积增大的方向旋转至一定角度；反之，叶片则向与前者相反的方向旋转至一定角度。当风机转速趋于同步速并在该值附近稳定运行一段时间后，机组即可并网。（2）欠功率状态控制风电机组并入电网后，由于实际风速
摘 要： 为了提高变桨距控制系统对风力发电机组的跟踪控制精度，同时避免局部极小值问题，针对常规PID控制难以实现风力发电机组控制效果，首先建立了风力发电机组变桨距的动态模型，在分析风力发电机组变桨距控制要求的基础上，提出了一种基于模糊PID的变桨距控制方法。该方法将模糊与PID相结合这样有效的弥补常规PID的不足。在随机风作用下对机组的模糊PI控制器进行仿真，仿真结果表明该模糊PI控制器具有良好的动态性能及对风速扰动的鲁棒性，能够有效改善风力发电机组的变浆距系统控制效果。
关键词： 风力发电机组； 变桨距控制； 模糊PID； 变速恒频
1004?373X（2013）16?0146?03
0 引 言
风力发电是一种清洁、绿色、无污染的可再生新能源，近几年风力发电得到了快速的发展。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制系统，变桨距风机能够提高风机的风能利用系数以转换最大的风能。当风速达到额定风速以上时，采取变桨距控制策略，通过改变叶片的迎风角度以改变气流对风力机的作用面积，使发动机输出功率维持在允许范围内。
模糊（Fuzzy）控制是一种新颖的控制策略，其最大的特点是利用专家经验或相关控制经验建立语言控制规则，无需精确数学模型就可由控制器执行其功能。人们提出模糊控制与传统PID控制相结合，组成复合模糊PID控制器的策略，取长补短，综合其优点。当误差大于某一阈值时，首先利用模糊控制算法，加快系统的响应速度，提高系统的阻尼特性且减小响应过程的超调量，使误差尽快到达平衡点附近；当误差到达平衡点附近时，经过阈值开关的转化，利用PI控制器中的积分作用消除系统的误差。本文变桨距控制即采用这种复合控制技术 。
1 风电机组变桨距控制工况分析
定桨距风电机组相比，变桨距风电机组具有较好功率平滑控制性能及并网更加灵活等优点，被广泛应用于现代风力发电系统中。根据变桨距系统在变桨中所起的作用，将变桨风电机组控制分为起动状态控制、欠功率状态控制、额定功率状态控制和停机控制四种控制模式，分述如下。
（1）起动状态控制
当变桨距风电机组静止时，其风轮叶片的桨距角为[90°]。由于气流与叶片之间的攻角为[0°]，因此气流不会对叶片产生力矩，此时叶片为一块阻尼板。而当风速逐渐增大至切入风速（起动风速）时，则需通过控制变桨机构使叶片向[0°]桨距角方向旋转，此时气流会对叶片产生一定的攻角，风机开始起动。对半直驱风电系统来说，在风机并入电网以前，由电机转速信号控制桨距角给定值。转速控制器给出转速参考值后，变桨系统则根据该参考值对桨距角进行调节。
为确保风电机组平稳并网，尽可能减小对电网的冲击，可以控制发电机转速运行在同步转速附近一段时间，以期寻求合适时机进行并网。为使控制系统设计简单，变桨风电机组转速未达到同步转速之前不对桨距角加以控制。此时，叶片只是按预先设定的速度向[0°]桨距角方向旋转，直至风电机组转速达到同步转速附近。其中，转速控制的参考值为同步转速值[3]。转速反馈信号与该值比较，当转速小于参考值时，叶片就向着迎风面积增大的方向旋转至一定角度；反之，叶片则向与前者相反的方向旋转至一定角度。当风机转速趋于同步速并在该值附近稳定运行一段时间后，机组即可并网。
（2）欠功率状态控制
风电机组并入电网后，由于实际风速小于额定风速，机组的输出功率小于额定功率，机组在低功率状态下运行，对机组此时工作状态的控制称为欠功率状态控制。
当变桨风电机组工作在欠功率状态时，此时，机组输出功率低于额定功率。为了提高机组的发电效率，尽可能捕获风能，此运行状态下对风电机组进行最大功率跟踪（MPPT）控制。在进行MPPT控制时，控制变桨风电机组在优化桨距角[0°]附近保持不变，然后通过控制机侧变换器来调节发电机定子电流，进而控制电机转速，最终实现风电机组的最大功率捕获。
（3）额定功率状态控制
在可用风速范围内，当实际风速大于额定风速时，风电机组输出功率一般要大于额定功率，此时机组进入额定功率运行状态。考虑到风力机的机械应力、发电机的容量以及变换器容量的限制，需对机组进行变桨距控制。变桨风电摘自：硕士论文答辩www.7ctime.com
机组在该运行状态下的变桨控制结构如图1所示。
综合变桨距控制的四论文导读：距角的变化值。隶属函数选用三角形型隶属函数。根据专家经验和功率控制的要求，建立如下所示的模糊控制器判定规则：（1）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负大（正大）；（2）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负小（正小），就增加叶
种控制模式，可以得出变桨风电机组在所有风况下的输出功率控制曲线图如图2所示。
2 风力发电机的模糊PID控制器
模糊控制的基本原理可由图3表示，它的核心部分是虚方框内的模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序语言实现，模糊控制基本的控制思路是：计算机经中断采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号[e（t）]。一般选误差信号[e（t）]及误差变化率[Δe（t）]作为模糊控制器的输入量，将输入变量的精确值变换成其对应论域上用自然语言描述的模糊量，来获得误差及误差变化率的模糊子集。再由模糊子集和模糊控制规则根据模糊推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量。然后经过解模糊过程得到精确的数字控制量，经数/模转换后传送给执行机构，执行机构由各种交直流电动机或步进电机组成，对被控对象进行一步控制。依次通过中断等待第二次采样获取第二次控制，通过循环操作就可以实现对被控对象的模糊控制。
根据上述模糊控制器设计的原理，本文在风速达到额定风速以上时采用变桨距控制策略，利用模糊PI控制器对系统进行调节，保证发电机输出的功率维持在额定功率附近。图4为变桨距控制系统示意图。系统选用二维模糊控制器，以发电机反馈功率和目标功率的误差及误差变化率作为系统的输入量，输出量为增量型桨距角的变化值。隶属函数选用三角形型隶属函数。根据专家经验和功率控制的要求，建立如下所示的模糊控制器判定规则：
（1）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负大（正大）；
（2）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负小 （正小），就增加叶片桨距角负中（正中）；
（3）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负中（正中）或负大（正大），就保持叶片桨距角不变；
（4）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负中（正中）；
（5）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为负小（正小），就保持叶片桨距角不变；
（6）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为负中（正中）或负大（正大），就增加叶片桨距角负小（正小）。
由以上判定规则组成的模糊控制器判定规则表如表1所示。
3 结 语
本文在分析风电机组变桨距控制原理的基础上建立了模糊控制器判定规则，采用模糊PID控制器对变桨距系统进行控制，本控制器能够有效弥补传统PID控制器的不足，提高变桨距控制系统在额定风速以上的控制精度和响应时间。通过搭建模型进行机理仿真，仿真结果表明该控制器动态性能良好，鲁棒性强。
表1 模糊控制器的判定规则
参考文献
吴迪，张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J].大电机技术，2006（6）：16?24.
林勇刚.大型风力机变桨距控制技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[3] 李朝霞.风电机组智能变桨距控制及优化研究[D].北京：北京交通大学，2011.
[4] 林勇刚，李伟，叶杭冶.变速恒频风力机组变桨距控制系统[J].农业机械学报2004，35（4）：110?114.
[5] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2010.
[6] 齐向东，史岩鹏.双馈风力发电机功率解耦控制的研究[J].现代电子技术，2012，35（18）：185?187.
摘 要： 为了提高变桨距控制系统对风力发电机组的跟踪控制精度，同时避免局部极小值问题，针对常规PID控制难以实现风力发电机组控制效果，首先建立了风力发电机组变桨距的动态模型，在分析风力发电机组变桨距控制要求的基础上，提出了一种基于模糊PID的变桨距控制方法。该方法将模糊与PID相结合这样有效的弥补常规PID的不足。在随机风作用下对机组的模糊PI控制器进行仿真，仿真结果表明该模糊PI控制器具有良好的动态性能及对风速扰动的鲁棒性，能够有效改善风力发电机组的变浆距系统控制效果。
关键词： 风力发电机组； 变桨距控制； 模糊PID； 变速恒频
1004?373X（2013）16?0146?03
0 引 言
风力发电是一种清洁、绿色、无污染的可再生新能源，近几年风力发电得到了快速的发展。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制系统，变桨距风机能够提高风机的风能利用系数以转换最大的风能。当风速达到额定风速以上时，采取变桨距控制策略，通过改变叶片的迎风角度以改变气流对风力机的作用面积，使发动机输出功率维持在允许范围内。
模糊（Fuzzy）控制是一种新颖的控制策略，其最大的特点是利用专家经验或相关控制经验建立语言控制规则，无需精确数学模型就可由控制器执行其功能。人们提出模糊控制与传统PID控制相结合，组成复合模糊PID控制器的策略，取长补短，综合其优点。当误差大于某一阈值时，首先利用模糊控制算法，加快系统的响应速度，提高系统的阻尼特性且减小响应过程的超调量，使误差尽快到达平衡点附近；当误差到达平衡点附近时，经过阈值开关的转化，利用PI控制器中的积分作用消除系统的误差。本文变桨距控制即采用这种复合控制技术 。
1 风电机组变桨距控制工况分析
定桨距风电机组相比，变桨距风电机组具有较好功率平滑控制性能及并网更加灵活等优点，被广泛应用于现代风力发电系统中。根据变桨距系统在变桨中所起的作用，将变桨风电机组控制分为起动状态控制、欠功率状态控制、额定功率状态控制和停机控制四种控制模式，分述如下。
（1）起动状态控制
当变桨距风电机组静止时，其风轮叶片的桨距角为[90°]。由于气流与叶片之间的攻角为[0°]，因此气流不会对叶片产生力矩，此时叶片为一块阻尼板。而当风速逐渐增大至切入风速（起动风速）时，则需通过控制变桨机构使叶片向[0°]桨距角方向旋转，此时气流会对叶片产生一定的攻角，风机开始起动。对半直驱风电系统来说，在风机并入电网以前，由电机转速信号控制桨距角给定值。转速控制器给出转速参考值后，变桨系统则根据该参考值对桨距角进行调节。
为确保风电机组平稳并网，尽可能减小对电网的冲击，可以控制发电机转速运行在同步转速附近一段时间，以期寻求合适时机进行并网。为使控制系统设计简单，变桨风电机组转速未达到同步转速之前不对桨距角加以控制。此时，叶片只是按预先设定的速度向[0°]桨距角方向旋转，直至风电机组转速达到同步转速附近。其中，转速控制的参考值为同步转速值[3]。转速反馈信号与该值比较，当转速小于参考值时，叶片就向着迎风面积增大的方向旋转至一定角度；反之，叶片则向与前者相反的方向旋转至一定角度。当风机转速趋于同步速并在该值附近稳定运行一段时间后，机组即可并网。
（2）欠功率状态控制
风电机组并入电网后，由于实际风速小于额定风速，机组的输出功率小于额定功率，机组在低功率状态下运行，对机组此时工作状态的控制称为欠功率状态控制。
当变桨风电机组工作在欠功率状态时，此时，机组输出功率低于额定功率。为了提高机组的发电效率，尽可能捕获风能，此运行状态下对风电机组进行最大功率跟踪（MPPT）控制。在进行MPPT控制时，控制变桨风电机组在优化桨距角[0°]附近保持不变，然后通过控制机侧变换器来调节发电机定子电流，进而控制电机转速，最终实现风电机组的最大功率捕获。
（3）额定功率状态控制
在可用风速范围内，当实际风速大于额定风速时，风电机组输出功率一般要大于额定功率，此时机组进入额定功率运行状态。考虑到风力机的机械应力、发电机的容量以及变换器容量的限制，需对机组进行变桨距控制。变桨风电摘自：硕士论文答辩www.7ctime.com
机组在该运行状态下的变桨控制结构如图1所示。
综合变桨距控制的四论文导读：距角的变化值。隶属函数选用三角形型隶属函数。根据专家经验和功率控制的要求，建立如下所示的模糊控制器判定规则：（1）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负大（正大）；（2）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负小（正小），就增加叶
种控制模式，可以得出变桨风电机组在所有风况下的输出功率控制曲线图如图2所示。
2 风力发电机的模糊PID控制器
模糊控制的基本原理可由图3表示，它的核心部分是虚方框内的模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序语言实现，模糊控制基本的控制思路是：计算机经中断采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号[e（t）]。一般选误差信号[e（t）]及误差变化率[Δe（t）]作为模糊控制器的输入量，将输入变量的精确值变换成其对应论域上用自然语言描述的模糊量，来获得误差及误差变化率的模糊子集。再由模糊子集和模糊控制规则根据模糊推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量。然后经过解模糊过程得到精确的数字控制量，经数/模转换后传送给执行机构，执行机构由各种交直流电动机或步进电机组成，对被控对象进行一步控制。依次通过中断等待第二次采样获取第二次控制，通过循环操作就可以实现对被控对象的模糊控制。
根据上述模糊控制器设计的原理，本文在风速达到额定风速以上时采用变桨距控制策略，利用模糊PI控制器对系统进行调节，保证发电机输出的功率维持在额定功率附近。图4为变桨距控制系统示意图。系统选用二维模糊控制器，以发电机反馈功率和目标功率的误差及误差变化率作为系统的输入量，输出量为增量型桨距角的变化值。隶属函数选用三角形型隶属函数。根据专家经验和功率控制的要求，建立如下所示的模糊控制器判定规则：
（1）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负大（正大）；
（2）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负小 （正小），就增加叶片桨距角负中（正中）；
（3）如果输出功率与目标功率误差为正大（负大）或正中（负中），误差变化为负中（正中）或负大（正大），就保持叶片桨距角不变；
（4）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为正（负）或零，就增加叶片桨距角负中（正中）；
（5）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为负小（正小），就保持叶片桨距角不变；
（6）如果输出功率与目标功率误差为正小（负小），误差变化为负中（正中）或负大（正大），就增加叶片桨距角负小（正小）。
由以上判定规则组成的模糊控制器判定规则表如表1所示。
3 结 语
本文在分析风电机组变桨距控制原理的基础上建立了模糊控制器判定规则，采用模糊PID控制器对变桨距系统进行控制，本控制器能够有效弥补传统PID控制器的不足，提高变桨距控制系统在额定风速以上的控制精度和响应时间。通过搭建模型进行机理仿真，仿真结果表明该控制器动态性能良好，鲁棒性强。
表1 模糊控制器的判定规则
参考文献
吴迪，张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J].大电机技术，2006（6）：16?24.
林勇刚.大型风力机变桨距控制技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[3] 李朝霞.风电机组智能变桨距控制及优化研究[D].北京：北京交通大学，2011.
[4] 林勇刚，李伟，叶杭冶.变速恒频风力机组变桨距控制系统[J].农业机械学报2004，35（4）：110?114.
[5] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2010.
[6] 齐向东，史岩鹏.双馈风力发电机功率解耦控制的研究[J].现代电子技术，2012，35（18）：185?187.