風(fēng)力機(jī)變槳距控制的模糊pid仿真設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)變槳距控制的模糊pid仿真設(shè)計(jì)

隨著大型通風(fēng)裝置的建成，可變距離法的風(fēng)電工程的故障控制技術(shù)越來(lái)越受到重視。文獻(xiàn)基于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào),以控制葉片節(jié)距角為目標(biāo)設(shè)計(jì)了變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的PI控制器;文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)變槳距控制進(jìn)行深入分析,在傳統(tǒng)PI控制基礎(chǔ)上加入增益調(diào)整環(huán)節(jié)以改善系統(tǒng)在高風(fēng)速階段的控制性能;文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了由狀態(tài)觀測(cè)器、多路調(diào)制器及解調(diào)器構(gòu)成的擾動(dòng)調(diào)節(jié)器(DAC),基于最優(yōu)理論實(shí)現(xiàn)葉片節(jié)距角的調(diào)節(jié);文獻(xiàn)提出模糊邏輯變槳距控制器,并與增益查表法和基于轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的控制增益法等控制方案進(jìn)行了對(duì)比分析;文獻(xiàn)介紹了一種用來(lái)控制變槳距大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模糊控制器,仿真結(jié)果表明采用模糊控制的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)無(wú)論是跟隨性能還是抗干擾性能要比采用PID控制系統(tǒng)的效果好。此外,滑模變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、變論域自適應(yīng)模糊等先進(jìn)控制策略也在變槳距控制器中得到應(yīng)用。由于變槳距控制風(fēng)力機(jī)具有多變量、非線性、時(shí)變不確定等特點(diǎn),傳統(tǒng)的PID控制方法難以取得理想的控制效果。近年來(lái),隨著各種智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展,智能控制也被應(yīng)用在變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,由于一些智能控制對(duì)控制對(duì)象模型要求不高,因此取得了良好的控制效果。但是智能控制在某些方面也存在不足,因此,作者提出將PID控制與模糊控制技術(shù)相結(jié)合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,以期達(dá)到良好的控制效果。1風(fēng)速偏對(duì)于風(fēng)能的影響風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)后,機(jī)組運(yùn)行分兩個(gè)工況:(1)風(fēng)速低于額定風(fēng)速;(2)風(fēng)速高于額定風(fēng)速。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí),槳葉節(jié)距角β=0,通過(guò)變速恒頻裝置,隨風(fēng)速變化改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在CPmax,捕獲最大風(fēng)能,并使輸出電能頻率不變;在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機(jī)輸出功率,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。1.1風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系在風(fēng)速較低,發(fā)電機(jī)輸出功率未達(dá)到額定功率時(shí),應(yīng)盡可能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輸出電能。設(shè)當(dāng)葉尖速比λ為λopt時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)CP為CPmax,可得:Popt=0.5ρACPmax(Rλopt)3ω3(1)Ρopt=0.5ρACΡmax(Rλopt)3ω3(1)其中Popt為最優(yōu)輸出功率,也是所要控制的目標(biāo)功率。設(shè)定不同的風(fēng)速,在軟件MATLAB7.1下仿真得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系,如圖1所示為一組在不同風(fēng)速下的輸出特性曲線。從圖上可以看出,在某一固定轉(zhuǎn)速下,風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)輸出功率Popt隨風(fēng)速v的增加而增大。在某一固定風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)在達(dá)到特定的轉(zhuǎn)速時(shí)具有最大輸出功率,轉(zhuǎn)速小于或大于這個(gè)特定轉(zhuǎn)速都會(huì)使風(fēng)力機(jī)的輸出功率降低,這個(gè)特定轉(zhuǎn)速稱之為最佳轉(zhuǎn)速。最佳轉(zhuǎn)速是相對(duì)于某一特定的風(fēng)速來(lái)說(shuō)的,隨著風(fēng)速的變化,風(fēng)力機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速也不一樣。由此可以根據(jù)風(fēng)速控制相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,通過(guò)變速恒頻技術(shù),使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在最佳功率狀態(tài)。在這個(gè)控制過(guò)程中,不斷追蹤最佳功率曲線Popt實(shí)際上就是要求風(fēng)能利用率CP恒定為CPmax,也可稱此過(guò)程為恒CPmax控制過(guò)程。1.2高風(fēng)速時(shí)變槳距控制由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求轉(zhuǎn)速和輸出功率需限定在額定值以下,因此高風(fēng)速階段,以保持恒定的輸出功率為目標(biāo),實(shí)行功率控制。增大槳葉節(jié)距角,風(fēng)能的利用率明顯減小,所以發(fā)電機(jī)的輸出功率也相應(yīng)減小。因此,當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加而使發(fā)電機(jī)達(dá)到功率極限時(shí),通過(guò)變槳距控制減小發(fā)電機(jī)的輸出功率,使之維持在額定功率。當(dāng)風(fēng)速減小使輸出功率小于額定功率時(shí),調(diào)節(jié)槳葉增大輸出功率。即在高風(fēng)速階段,一般都采用變槳距控制。風(fēng)力機(jī)變槳距具體的控制過(guò)程如圖2所示。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)文中研究的對(duì)象是兆瓦級(jí)的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。假設(shè)所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由一水平軸、可變槳距風(fēng)輪,通過(guò)增速器與發(fā)電機(jī)連接而成。各部分的數(shù)學(xué)模型如下。2.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)是一種能截獲流動(dòng)空氣所具有的動(dòng)能,并將風(fēng)輪葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為有用機(jī)械能的裝置。在系統(tǒng)中,假定可變距的槳葉是剛性的。由轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系,根據(jù)公式CP=PPin=P12ρAv3CΡ=ΡΡin=Ρ12ρAv3,得到風(fēng)輪葉片吸收風(fēng)能后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T為:T=Pω=12ρACPv3ω(2)Τ=Ρω=12ρACΡv3ω(2)轉(zhuǎn)矩T要通過(guò)齒輪箱和傳動(dòng)軸傳到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一側(cè),所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T2和轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速ω2可表示為:T2=nTm(3)ω2=nω(4)式中:n為齒輪箱的增速器傳動(dòng)比;ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度,rad/s;Tm為從轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞給剛性齒輪的扭矩,N·m。風(fēng)力機(jī)的葉片通過(guò)輪轂與主動(dòng)軸相連,輪轂本身具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)模型由以下運(yùn)動(dòng)方程表示:Jdωdt=T?nTm(5)Jdωdt=Τ-nΤm(5)式中:J為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。風(fēng)力機(jī)的輸出功率P還受到葉片氣動(dòng)特性和調(diào)速裝置限制,所以模型為:P=???????????0v<vs0.5ρπR2v3CPvs≤v<vnPnvn≤v<vo0v≥vo(6)Ρ={0v<vs0.5ρπR2v3CΡvs≤v<vnΡnvn≤v<vo0v≥vo(6)式中:vs、vn、vo分別為風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速,m/s;v為實(shí)際風(fēng)速,m/s;Pn為風(fēng)力機(jī)額定功率,W。根據(jù)公式(2)和(6),可得風(fēng)力機(jī)的輸出力矩T為:T=???????????0v<vs0.5ρπR2CPv3ωvs≤v<vnPn/ωvn≤v<vo0v≥vo(7)Τ={0v<vs0.5ρπR2CΡv3ωvs≤v<vnΡn/ωvn≤v<vo0v≥vo(7)2.2發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪的連接風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能,然后這個(gè)能量要變成所需要的電能,而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生。由于受葉尖速度的限制,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢,而發(fā)電機(jī)不能太重,而極對(duì)數(shù)較少,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速要盡可能的高,因此就要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間連接齒輪箱增速器,把轉(zhuǎn)速提高,達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)輪氣動(dòng)特性,風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T作用于帶有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過(guò)增速比為n的增速器連接到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg的發(fā)電機(jī)上,發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間是剛性連接,因此忽略傳動(dòng)系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對(duì)角位移。2.3發(fā)電機(jī)上的扭矩假定所討論的異步電機(jī)為理想電機(jī),則滿足:Jgdωgdt=Tm?Te(8)Jgdωgdt=Τm-Τe(8)式中:Jg為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;ωg為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;Tm為作用在次傳動(dòng)軸上的扭矩,N·m;Te為發(fā)電機(jī)的反扭矩,N·m。文中所涉及到的發(fā)電機(jī)為繞線式三相異步發(fā)電機(jī),是通過(guò)改變定子電壓從而改變發(fā)電機(jī)反力矩和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)變速的。設(shè)計(jì)對(duì)象涉及的發(fā)電機(jī)為三相異步發(fā)電機(jī),簡(jiǎn)易模型如下:Te=gm1U21R2(ωG?ω1)[(R1?C1R2ω1ωG?ω1)2+(x1+C1x2)2](9)Τe=gm1U12R2(ωG-ω1)[(R1-C1R2ω1ωG-ω1)2+(x1+C1x2)2](9)式中:g為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);m1為相數(shù);U1為電網(wǎng)電壓,V;C1為修正系數(shù);ωG、ω1分別為發(fā)電機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速(ωG=gωg=gnω)、同步轉(zhuǎn)速,rad/s;R1、x1為定子繞組的電阻、漏抗,Ω;R2、x2為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻、漏抗,Ω。3偏差補(bǔ)償認(rèn)知該系統(tǒng)采用二輸入三輸出的二維模糊控制器,以功率的偏差E和偏差變化率EC為輸入語(yǔ)言變量,以Kp、Ki、Kd作為輸出語(yǔ)言變量,如圖3所示。取誤差的基本論域?yàn)?-30kW,30kW),對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,+1,+2,+3},取5個(gè)模糊子集,語(yǔ)言變量取為{負(fù)大,負(fù)小,零,正小,正大},用NB、NS、ZE、PS、PB表示。為了避免電動(dòng)機(jī)頻繁轉(zhuǎn)動(dòng),設(shè)定控制死區(qū)為額定功率1%,即±6.0kW,當(dāng)誤差在此范圍內(nèi)時(shí)為EC,對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)?-3,+3),模糊變量為NB、NS、ZE、PS、PM、PB。采用三角形作為模糊集合的隸屬函數(shù),通過(guò)在MATLAB7.1/Simulink中設(shè)計(jì)的模糊PID控制器,根據(jù)此隸屬度函數(shù)建立偏差語(yǔ)言變量E和偏差變化率語(yǔ)言變量EC的賦值表見(jiàn)表1。對(duì)于輸出語(yǔ)言變量Kp、Kd將其量化到(0,3)內(nèi),Ki的模糊論域?yàn)?0,1),三者語(yǔ)言模糊子集都為(ZE,PS,PM,PB),采用三角形隸屬度函數(shù),根據(jù)PID參數(shù)自調(diào)整的原則,根據(jù)參數(shù)Kp、Ki、Kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性能的影響情況,可建立如下模糊規(guī)則,具體規(guī)則見(jiàn)表2。4發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作者采用兩個(gè)模糊PID控制器,在低于額定風(fēng)速時(shí),將槳葉的槳距角置于0°,采用模糊PID控制器改變發(fā)電機(jī)定子電壓,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速,使其與風(fēng)速之比保持不變即可獲得最佳葉尖速比。在高于額定風(fēng)速時(shí),通常通過(guò)調(diào)整槳葉的槳距角來(lái)調(diào)節(jié)功率利用系數(shù)的值,以此保持輸出功率為最大允許值,仿真結(jié)果如圖4和5所示。由仿真結(jié)果可以看出:模糊PID參數(shù)自整定控制器能有效地抑制輸出功率