风力机变桨距控制的模糊pid仿真设计

风力机变桨距控制的模糊pid仿真设计

随着大型通风装置的建成，可变距离法的风电工程的故障控制技术越来越受到重视。文献基于风机转速反馈信号,以控制叶片节距角为目标设计了变速恒频风电机组的PI控制器;文献对风电系统变桨距控制进行深入分析,在传统PI控制基础上加入增益调整环节以改善系统在高风速阶段的控制性能;文献设计了由状态观测器、多路调制器及解调器构成的扰动调节器(DAC),基于最优理论实现叶片节距角的调节;文献提出模糊逻辑变桨距控制器,并与增益查表法和基于转矩观测器的控制增益法等控制方案进行了对比分析;文献介绍了一种用来控制变桨距大型风力发电机组的模糊控制器,仿真结果表明采用模糊控制的风电机组控制系统无论是跟随性能还是抗干扰性能要比采用PID控制系统的效果好。此外,滑模变结构、神经网络、变论域自适应模糊等先进控制策略也在变桨距控制器中得到应用。由于变桨距控制风力机具有多变量、非线性、时变不确定等特点,传统的PID控制方法难以取得理想的控制效果。近年来,随着各种智能控制技术的不断发展,智能控制也被应用在变桨距控制系统的设计中,由于一些智能控制对控制对象模型要求不高,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,作者提出将PID控制与模糊控制技术相结合对系统进行控制,以期达到良好的控制效果。1风速偏对于风能的影响风力机并网后,机组运行分两个工况:(1)风速低于额定风速;(2)风速高于额定风速。在风速低于额定风速时,桨叶节距角β=0,通过变速恒频装置,随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在CPmax,捕获最大风能,并使输出电能频率不变;在风速高于额定风速时,调节桨叶节距角从而改变发电机输出功率,使输出功率稳定在额定功率附近。1.1风力机转速与转速的关系在风速较低,发电机输出功率未达到额定功率时,应尽可能将风能转化为输出电能。设当叶尖速比λ为λopt时,风能利用系数CP为CPmax,可得:Popt=0.5ρACPmax(Rλopt)3ω3(1)Ρopt=0.5ρACΡmax(Rλopt)3ω3(1)其中Popt为最优输出功率,也是所要控制的目标功率。设定不同的风速,在软件MATLAB7.1下仿真得到风力机在不同风速下输出功率和转速的关系,如图1所示为一组在不同风速下的输出特性曲线。从图上可以看出,在某一固定转速下,风力机的最优输出功率Popt随风速v的增加而增大。在某一固定风速下,风力机在达到特定的转速时具有最大输出功率,转速小于或大于这个特定转速都会使风力机的输出功率降低,这个特定转速称之为最佳转速。最佳转速是相对于某一特定的风速来说的,随着风速的变化,风力机的最佳转速也不一样。由此可以根据风速控制相应的转子转速,通过变速恒频技术,使风力发电机组工作在最佳功率状态。在这个控制过程中,不断追踪最佳功率曲线Popt实际上就是要求风能利用率CP恒定为CPmax,也可称此过程为恒CPmax控制过程。1.2高风速时变桨距控制由于风力发电机组的机械和电气极限要求转速和输出功率需限定在额定值以下,因此高风速阶段,以保持恒定的输出功率为目标,实行功率控制。增大桨叶节距角,风能的利用率明显减小,所以发电机的输出功率也相应减小。因此,当风速进一步增加而使发电机达到功率极限时,通过变桨距控制减小发电机的输出功率,使之维持在额定功率。当风速减小使输出功率小于额定功率时,调节桨叶增大输出功率。即在高风速阶段,一般都采用变桨距控制。风力机变桨距具体的控制过程如图2所示。2风力发电机系统文中研究的对象是兆瓦级的变桨距变速风力发电机组。假设所采用的风力发电机组由一水平轴、可变桨距风轮,通过增速器与发电机连接而成。各部分的数学模型如下。2.1发电机转子侧转速风力机是一种能截获流动空气所具有的动能,并将风轮叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转化为有用机械能的装置。在系统中,假定可变距的桨叶是刚性的。由转矩与功率的关系,根据公式CP=PPin=P12ρAv3CΡ=ΡΡin=Ρ12ρAv3,得到风轮叶片吸收风能后产生的转矩T为:T=Pω=12ρACPv3ω(2)Τ=Ρω=12ρACΡv3ω(2)转矩T要通过齿轮箱和传动轴传到发电机转子一侧,所以发电机转子侧的机械转矩T2和转子的机械转速ω2可表示为:T2=nTm(3)ω2=nω(4)式中:n为齿轮箱的增速器传动比;ω为风轮转动的角速度,rad/s;Tm为从转动轴传递给刚性齿轮的扭矩,N·m。风力机的叶片通过轮毂与主动轴相连,轮毂本身具有较大的转动惯量,风力机动态模型由以下运动方程表示:Jdωdt=T−nTm(5)Jdωdt=Τ-nΤm(5)式中:J为风轮的转动惯量,kg·m2。风力机的输出功率P还受到叶片气动特性和调速装置限制,所以模型为: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分别为风力机的切入风速、额定风速和切出风速,m/s;v为实际风速,m/s;Pn为风力机额定功率,W。根据公式(2)和(6),可得风力机的输出力矩T为:T=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪0v<vs0.5ρπR2CPv3ωvs≤v<vnPn/ωvn≤v<vo0v≥vo(7)Τ={0v<vs0.5ρπR2CΡv3ωvs≤v<vnΡn/ωvn≤v<vo0v≥vo(7)2.2发电机与风轮的连接风轮将风的动能转换成风轮轴上的机械能,然后这个能量要变成所需要的电能,而电能由高速旋转的发电机来产生。由于受叶尖速度的限制,风轮旋转速度较慢,而发电机不能太重,而极对数较少,发电机转速要尽可能的高,因此就要在风轮与发电机之间连接齿轮箱增速器,把转速提高,达到发电机的转速。根据风轮气动特性,风轮产生的转矩T作用于带有转动惯量J的风轮上。风轮通过增速比为n的增速器连接到转动惯量Jg的发电机上,发电机将产生一反扭矩Te。由于风轮、输入轴和增速器之间是刚性连接,因此忽略传动系统中的总摩擦力和输出轴上的相对角位移。2.3发电机上的扭矩假定所讨论的异步电机为理想电机,则满足:Jgdωgdt=Tm−Te(8)Jgdωgdt=Τm-Τe(8)式中:Jg为异步发电机的转动惯量,kg·m2;ωg为异步发电机的转动角速度,rad/s;Tm为作用在次传动轴上的扭矩,N·m;Te为发电机的反扭矩,N·m。文中所涉及到的发电机为绕线式三相异步发电机,是通过改变定子电压从而改变发电机反力矩和转速来实现变速的。设计对象涉及的发电机为三相异步发电机,简易模型如下: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为发电机极对数;m1为相数;U1为电网电压,V;C1为修正系数;ωG、ω1分别为发电机的当量转速(ωG=gωg=gnω)、同步转速,rad/s;R1、x1为定子绕组的电阻、漏抗,Ω;R2、x2为归算后转子绕组的电阻、漏抗,Ω。3偏差补偿认知该系统采用二输入三输出的二维模糊控制器,以功率的偏差E和偏差变化率EC为输入语言变量,以Kp、Ki、Kd作为输出语言变量,如图3所示。取误差的基本论域为(-30kW,30kW),对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3},取5个模糊子集,语言变量取为{负大,负小,零,正小,正大},用NB、NS、ZE、PS、PB表示。为了避免电动机频繁转动,设定控制死区为额定功率1%,即±6.0kW,当误差在此范围内时为EC,对应的模糊论域为(-3,+3),模糊变量为NB、NS、ZE、PS、PM、PB。采用三角形作为模糊集合的隶属函数,通过在MATLAB7.1/Simulink中设计的模糊PID控制器,根据此隶属度函数建立偏差语言变量E和偏差变化率语言变量EC的赋值表见表1。对于输出语言变量Kp、Kd将其量化到(0,3)内,Ki的模糊论域为(0,1),三者语言模糊子集都为(ZE,PS,PM,PB),采用三角形隶属度函数,根据PID参数自调整的原则,根据参数Kp、Ki、Kd对系统输出特性能的影响情况,可建立如下模糊规则,具体规则见表2。4发电机转速调节作者采用两个模糊PID控制器,在低于额定风速时,将桨叶的桨距角置于0°,采用模糊PID控制器改变发电机定子电压,调节发电机反力矩来改变转速,使其与风速之比保持不变即可获得最佳叶尖速比。在高于额定风速时,通常通过调整桨叶的桨距角来调节功率利用系数的值,以此保持输出功率为最大允许值,仿真结果如图4和5所示。由仿真结果可以看出:模糊PID参数自整定控制器能有效地抑制输出功率