Variable_Speed_Constant_Frequency_Wind_Turbine_System论文
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414变速恒频风力发电系统模糊PID-PID双模 变桨距控制 夏长亮 赵永祥 （天津大学电气与自动化工程学院 天津市 300072） 摘要 大型变速恒频风力发电系统通常采用变桨距控制技术，保证额定功率点以上输出功率平稳和机组安全。风机的强非线性和较大的转动惯量导致了变桨距控制的困难，单纯的模糊控制和PID控制都不能取得良好的控制效果。该文提出了变速恒频风力发电系统模糊PID-PID双模变桨距控制策略，系统根据工作状况随时调整控制模式及参数。仿真表明，在该控制策略作用下，当风速在额定值以上随机变化时，转速能较好地稳定在额定值附近，具有结构简单、可靠性高、动态响应好、适应性强、控制精度高的优点，同时避免了变桨距执行机构的频繁动作，减小了变桨距执行机构的能量消耗，延长了其使用寿命。 关键词：风力发电 变桨距 模糊PID控制 PID控制 Fuzzy PID-PID Dual-Mode Control for Pitch Angle in Variable Speed Constant Frequency Wind Turbine System Xia Changliang Zhao Yongxiang (School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin, 300072, China) ABSTRACT The large-scale variable speed constant frequency wind turbine system usually adopts variable pitch control technology to get balanceable output power above point of rated power and ensure system’s safety. Strong nonlinear character and big moment of inertia lead to the difficulty of variable pitch control. The simple fuzzy control or PID control can’t get good effect. A fuzzyPID-PID dual-mode variable pitch control scheme for variable speed constant frequency wind turbine system is proposed, in which the control mode and parameters are adjusted momentarily according to the working condition. With this control scheme, the rotation speed can keep around the rated value while the wind speed changing random. High reliability, good dynamic response, strong adaptability and high precision are obtained by the proposed strategy. The construction of it is simple. This strategy can avoid frequent action of variable pitch actor, then can reduce the actor’s energy consumption and prolong its life. These effects of the proposed control scheme are demonstrated by simulations. Keywords: Wind power generation, adjustable-pitch, fuzzy PID control, PID Control 1 引言 随着经济的快速发展，能源的消费逐年增加，常规能源资源日益枯竭，对清洁、无污染、可再生的新能源的需求越来越大。在目前众多新能源中，风力发电清洁无污染，建设周期短，占地少，投资灵活，具有较好的经济效益和社会效益，最具规模 基金赞助情况: 教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-06-0246)；天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(07JCZDJC09400)。
415化开发条件和商业化发展前景，受到世界各国的高度重视。 变速恒频风力发电技术是目前最有前景的风力发电技术之一，已成为国内外风力发电技术的研究热点[1-2]。大型变速恒频风力发电机组运行于额定风速以上时，既要使额定功率点以上输出功率平稳，避免波动，又要使发电机组传动系统具有良好的柔性，同时还要考虑对风电机组实施有效保护，因此通常采用变桨距控制技术。变桨距控制技术是在风速过高时，通过调整叶片节距，改变气流对叶片功角，从而改变风电机组获得的空气动力转矩，使机组功率输出保持稳定[3]。 风机的强非线性和较大的转动惯量导致了变桨距控制的困难。国内外学者提出了很多方法对大型变速恒频风力发电机组桨距角进行控制。文献[3]通过功率反馈闭环控制系统，采用PID控制技术，实现了气动功率的稳定输出，但转速和功率曲线初始误差较大，易引起超调；文献[4]设计了变论域自适应模糊变桨距控制器，文献[5]设计了模糊神经网络变桨距控制器，文献[6]设计了基于遗传算法寻优的桨距角模糊控制器，均获得了较好的控制效果，但控制算法相对复杂。 模糊控制和PID控制技术在变速恒频风力发电系统中得到了广泛的应用。风机有较强的非线性，大量的理论研究和工程实践证明，单纯的模糊控制和传统的PID控制对非线性系统都不会取得良好的控制效果，而采用模糊与PID复合控制是一种比较好的解决方法。它既有模糊控制器的鲁棒性好、抗干扰能力强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点，又具有PID控制器良好的动态跟踪品质和稳态精度[7-10]。 本文提出模糊PID-PID双模变桨距控制策略。在大偏差范围内采用模糊PID控制，在小偏差范围内转为PID控制，两者的切换由基于模糊规则的“软切换”开关实现。 2 模糊PID-PID双模控制策略 2.1 模糊PID控制 模糊控制不需要对被控对象建立精确的数学模型，鲁棒性好，抗干扰能力强，但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，在控制点附近会出现盲区和死区。PID控制器是过程控制中应用最基本的一种控制器，结构简单，稳定性能好，可靠性高，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。PID控制中一个关键的问题是PID参数的整定，传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定参数。但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度的非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，而且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。模糊PID控制是将模糊控制与常规PID控制器相结合，吸收了模糊控制和常规PID控制两者的优点，具备了一定的自适应能力，同时又具有结构简单、鲁棒性强、可靠性高、动态响应好等优点[8-11]。 模糊控制和PID控制结合通常有两种形式。一种是模糊-PID双模控制器，这类控制器的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现[11]；另一种是模糊增益调整PID控制器，这类控制器通过模糊规则和推理对PID参数进行调整[8]。 2.2 模糊PID-PID双模控制 综合以上两类模糊PID控制器的原理，结合风机的强非线性和较大的转动惯量的特点，设计了模糊PID-PID双模变桨距控制策略。变桨距控制由模糊PID和PID两个控制器完成。在大范围偏差范围内，由模糊PID控制器来控制，根据系统误差状况，由模糊控制器推理出PID控制器的参数，通过PID控制器输出控制量；在小偏差范围内，直接由PID控制器来完成控制，两者的切换根据预先设定的偏差阀值实现。 模糊PID-PID双模控制结构图如图1所示。 ryye
图1 模糊PID-PID双模控制结构图
416Fig.1 Structure of fuzzyPID-PID dual-mode controller 3 变速恒频风力发电系统变桨距机构模型 3.1 风机模型 风机的特性采用非线性函数描述。变速变桨距风机的模型可描述为[12] ()321,2mpTCRvRvλβρπλωλ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ (1) 式中，Tm为风轮转矩(Nm)；ρ为空气密度(kg/m2)；R为风轮半径(m)；v为风速(m/s)；Cp为风机的风能利用系数，最大值是贝兹极限59.3％；β为桨距角(°)；λ为叶尖速比；ω为风轮旋转角速度(rad/s)。 对于变速变桨距风机，可以采用逼近法近似地描述式(1)中的风能利用系数Cp[13] ()12.53116,0.22(0.45)110.0350.081pCeλββλββ−Λ⎧=−−⎪⎪Λ⎨⎪=−⎪Λ++⎩ (2) 图2所示为风能利用系数Cp(λ,β)的曲线。由图中可知，通过增大桨距角β，风能利用系数Cp逐渐减小。因此，风机在额定风速以上运行时，可以通过增大桨距角β以降低风能利用系数Cp，从而将风力发电系统的输出功率稳定在额定值附近，同时将风机转速限定在允许范围之内。
024
68101214
1618200
0.05
0.10.150.20.250.30.350.40.450.5
λCpβ=0°β=2°β=4°β=6°
β=20° 图2 风能利用系数Cp(λ,β)曲线图 Fig.2 Curves of wind power coefficient 3.2 传动系统模型 风轮转速通常为20-30r/min，而异步发电机一般运行在较高的同步转速附近。因此在风轮和发电机之间需要设置增速齿轮箱，传动系统模型可以用式(3)描述[14]
mlmeheelheedTTJdtdTTJdtTTωωωωωγω⎧−=⎪⎪⎪−=⎪⎨⎪=⎪⎪=⎪⎩ (3)
式中，Tl为低速轴转矩(Nm)；Th为高速轴转矩(Nm)；Te为发电机电磁转矩(Nm)；Jm为风轮的转动惯量(kg•m2)；Je为发电机的转动惯量(kg•m2)；ωe为高速轴转速(rad/s)；γ为增速比。 3.3 变桨距执行机构模型 变桨距执行机构由机械和液压系统组成，因为叶片的转动惯量较大，同时应尽量减小变桨距执行机构消耗的功率，所以执行机构应具有一定的限制能力。从变桨距控制器的桨距角指令到该指令的激励之间的动态过程可以等效为一阶惯性环节[3-4] 11rsββτ=+ (4) 式中，βr为桨距角指令值(°)；τ为时间常数(s)。 变桨距执行机构模型如图3所示。 1τ1srββ
