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文档简介
模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制一、本文概述Overviewofthisarticle随着全球能源结构的转型和可再生能源的快速发展,风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式,已在全球范围内得到了广泛的关注和应用。风力发电机组作为风力发电系统的核心设备,其性能直接影响到整个系统的发电效率和运行稳定性。其中,变桨距控制作为风力发电机组的重要控制技术之一,对于提高风力发电机组的发电效率和应对复杂多变的风况环境具有重要意义。Withthetransformationoftheglobalenergystructureandtherapiddevelopmentofrenewableenergy,windpowergeneration,asacleanandrenewableformofenergy,hasreceivedwidespreadattentionandapplicationworldwide.Asthecoreequipmentofwindpowergenerationsystems,theperformanceofwindturbinesdirectlyaffectsthepowergenerationefficiencyandoperationalstabilityoftheentiresystem.Amongthem,variablepitchcontrolisoneoftheimportantcontroltechnologiesforwindturbines,whichisofgreatsignificanceforimprovingthepowergenerationefficiencyofwindturbinesandrespondingtocomplexandvariablewindconditions.传统的变桨距控制方法主要基于PID(比例-积分-微分)控制算法,虽然该方法具有结构简单、易于实现等优点,但在应对非线性、不确定性和时变性等复杂问题时,其控制效果往往不理想。近年来,模糊控制作为一种基于模糊集合和模糊逻辑推理的智能控制方法,在处理复杂系统控制问题上表现出强大的潜力和优势。模糊控制不需要建立精确的数学模型,而是通过模拟人的思维过程,实现对系统的有效控制。ThetraditionalpitchcontrolmethodismainlybasedonthePID(ProportionalIntegralDifferential)controlalgorithm.Althoughthismethodhastheadvantagesofsimplestructureandeasyimplementation,itscontroleffectisoftennotidealwhendealingwithcomplexproblemssuchasnonlinearity,uncertainty,andtime-varying.Inrecentyears,fuzzycontrol,asanintelligentcontrolmethodbasedonfuzzysetsandfuzzylogicreasoning,hasshownstrongpotentialandadvantagesindealingwithcomplexsystemcontrolproblems.Fuzzycontroldoesnotrequiretheestablishmentofprecisemathematicalmodels,butratherachieveseffectivecontrolofthesystembysimulatinghumanthinkingprocesses.本文提出了一种基于模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制方法。该方法将模糊前馈控制和模糊PID控制相结合,旨在提高风力发电机组的控制精度和响应速度,同时增强系统的鲁棒性和稳定性。文章首先介绍了风力发电机组的工作原理和变桨距控制的重要性,然后详细阐述了模糊前馈控制和模糊PID控制的基本原理和实现方法,最后通过实验仿真验证了所提控制方法的有效性和优越性。ThisarticleproposesawindturbinevariablepitchcontrolmethodbasedonthecombinationoffuzzyfeedforwardandfuzzyPID.ThismethodcombinesfuzzyfeedforwardcontrolandfuzzyPIDcontrol,aimingtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeedofwindturbines,whileenhancingtherobustnessandstabilityofthesystem.Thearticlefirstintroducestheworkingprincipleofwindturbinesandtheimportanceofvariablepitchcontrol.Then,itelaboratesindetailonthebasicprinciplesandimplementationmethodsoffuzzyfeedforwardcontrolandfuzzyPIDcontrol.Finally,theeffectivenessandsuperiorityoftheproposedcontrolmethodareverifiedthroughexperimentalsimulation.本文的研究旨在为风力发电机组的变桨距控制提供一种更加先进、有效的控制策略,为推动风力发电技术的发展和应用提供理论支持和实践指导。Thepurposeofthisstudyistoprovideamoreadvancedandeffectivecontrolstrategyforvariablepitchcontrolofwindturbines,andtoprovidetheoreticalsupportandpracticalguidanceforpromotingthedevelopmentandapplicationofwindpowergenerationtechnology.二、模糊前馈控制原理及其在风力发电机组中的应用Fuzzyfeedforwardcontrolprincipleanditsapplicationinwindturbine模糊前馈控制是一种基于模糊逻辑的控制策略,其基本原理是将系统中的不确定性和非线性因素通过模糊集合和模糊规则进行描述和处理。与传统的前馈控制相比,模糊前馈控制能够更好地处理系统中的模糊信息和不确定性,因此在实际应用中具有更高的鲁棒性和适应性。Fuzzyfeedforwardcontrolisacontrolstrategybasedonfuzzylogic,whosebasicprincipleistodescribeandprocesstheuncertaintyandnonlinearfactorsinthesystemthroughfuzzysetsandfuzzyrules.Comparedwithtraditionalfeedforwardcontrol,fuzzyfeedforwardcontrolcanbetterhandlefuzzyinformationanduncertaintyinthesystem,andthereforehashigherrobustnessandadaptabilityinpracticalapplications.在风力发电机组中,模糊前馈控制的应用主要体现在变桨距控制系统中。风力发电机组的变桨距控制系统主要负责根据风速和发电机组的运行状态,实时调整叶片的桨距角,以保证发电机组的稳定运行和最大风能捕获。然而,由于风速的随机性和非线性特性,传统的变桨距控制方法往往难以实现对风力发电机组的精确控制。Inwindturbines,theapplicationoffuzzyfeedforwardcontrolismainlyreflectedinthevariablepitchcontrolsystem.Thevariablepitchcontrolsystemofwindturbinesismainlyresponsibleforadjustingthebladepitchangleinrealtimebasedonwindspeedandtheoperatingstatusofthegeneratorset,toensurethestableoperationofthegeneratorsetandmaximumwindenergycapture.However,duetotherandomnessandnonlinearcharacteristicsofwindspeed,traditionalpitchcontrolmethodsoftenfinditdifficulttoachieveprecisecontrolofwindturbines.通过引入模糊前馈控制,我们可以将风速等模糊信息转化为模糊集合,然后根据模糊规则进行推理和决策,最终得到精确的控制信号,实现对风力发电机组变桨距的精确控制。具体来说,模糊前馈控制器可以根据当前的风速和发电机组的运行状态,通过模糊推理得到应该调整的桨距角,然后将这个桨距角作为前馈信号加入到传统的PID控制器中,从而实现对风力发电机组变桨距的精确控制。Byintroducingfuzzyfeedforwardcontrol,wecantransformfuzzyinformationsuchaswindspeedintoafuzzyset,andtheninferandmakedecisionsbasedonfuzzyrules,ultimatelyobtainingaccuratecontrolsignalstoachieveprecisecontrolofwindturbinepitch.Specifically,thefuzzyfeedforwardcontrollercanobtainthepitchanglethatshouldbeadjustedbasedonthecurrentwindspeedandtheoperatingstatusofthegeneratorunitthroughfuzzyinference,andthenaddthispitchangleasafeedforwardsignaltothetraditionalPIDcontrollertoachieveprecisecontrolofthepitchofthewindturbineunit.模糊前馈控制在风力发电机组变桨距控制系统中的应用,不仅可以提高发电机组的运行稳定性和风能捕获效率,还可以降低风力发电机组的维护成本和故障率,具有显著的经济效益和社会效益。因此,模糊前馈控制已成为风力发电机组变桨距控制领域的一种重要控制策略。Theapplicationoffuzzyfeedforwardcontrolinthevariablepitchcontrolsystemofwindturbinenotonlyimprovestheoperationalstabilityandwindenergycaptureefficiencyofthegenerator,butalsoreducesthemaintenancecostandfailurerateofthewindturbine,whichhassignificanteconomicandsocialbenefits.Therefore,fuzzyfeedforwardcontrolhasbecomeanimportantcontrolstrategyinthefieldofwindturbinepitchcontrol.三、模糊PID控制原理及其在风力发电机组中的应用FuzzyPIDControlPrincipleandItsApplicationinWindTurbine模糊PID控制是一种结合了模糊逻辑和PID(比例-积分-微分)控制的先进控制方法。这种控制策略旨在通过模糊逻辑来处理复杂和不确定的系统行为,同时利用PID控制器的稳定性和精确性。在风力发电机组中,模糊PID控制特别适用于变桨距控制系统,因为该系统需要快速响应风速变化并保持发电机组的稳定运行。FuzzyPIDcontrolisanadvancedcontrolmethodthatcombinesfuzzylogicandPID(proportionalintegralderivative)control.Thiscontrolstrategyaimstohandlecomplexanduncertainsystembehaviorsthroughfuzzylogic,whileutilizingthestabilityandaccuracyofPIDcontrollers.Inwindturbines,fuzzyPIDcontrolisparticularlysuitableforvariablepitchcontrolsystems,asthesystemneedstoquicklyrespondtochangesinwindspeedandmaintainstableoperationofthegeneratorset.模糊PID控制的基本原理是将模糊逻辑与PID控制算法相结合。模糊逻辑通过模糊集合和模糊规则来处理不精确和不确定的信息,而PID控制算法则通过调整比例、积分和微分三个参数来实现对系统输出的精确控制。在模糊PID控制器中,模糊逻辑用于确定PID控制器参数的最优调整,从而提高系统的响应速度和鲁棒性。ThebasicprincipleoffuzzyPIDcontrolistocombinefuzzylogicwithPIDcontrolalgorithm.Fuzzylogicprocessesimpreciseanduncertaininformationthroughfuzzysetsandfuzzyrules,whilePIDcontrolalgorithmsachieveprecisecontrolofsystemoutputbyadjustingthethreeparametersofproportion,integration,anddifferentiation.InfuzzyPIDcontrollers,fuzzylogicisusedtodeterminetheoptimaladjustmentofPIDcontrollerparameters,therebyimprovingtheresponsespeedandrobustnessofthesystem.在风力发电机组中,变桨距控制系统负责调整叶片的角度,以优化风能捕获和保持发电机组的稳定运行。模糊PID控制在这方面的应用主要体现在以下几个方面:Inwindturbines,thevariablepitchcontrolsystemisresponsibleforadjustingtheangleofthebladestooptimizewindenergycaptureandmaintainstableoperationofthegenerator.TheapplicationoffuzzyPIDcontrolinthisareaismainlyreflectedinthefollowingaspects:快速响应风速变化:当风速发生变化时,模糊PID控制器能够快速调整桨距角,使风力发电机组保持最佳的风能捕获效率。通过模糊逻辑的处理,控制器能够更准确地预测风速变化,并提前作出相应的调整。Quickresponsetowindspeedchanges:Whenthewindspeedchanges,thefuzzyPIDcontrollercanquicklyadjustthepitchangletomaintaintheoptimalwindenergycaptureefficiencyofthewindturbine.Throughtheprocessingoffuzzylogic,thecontrollercanmoreaccuratelypredictchangesinwindspeedandmakecorrespondingadjustmentsinadvance.提高系统稳定性:模糊PID控制器通过精确调整PID参数,能够减少系统振荡和不稳定现象。这有助于保持风力发电机组的稳定运行,延长设备寿命,并提高电能质量。Improvingsystemstability:FuzzyPIDcontrollerscanreducesystemoscillationsandinstabilitybypreciselyadjustingPIDparameters.Thishelpstomaintainthestableoperationofwindturbines,extendequipmentlife,andimprovepowerquality.适应不同工作环境:风力发电机组的工作环境往往十分复杂,受到多种因素的影响。模糊PID控制器通过模糊逻辑的处理,能够自适应地调整控制策略,以适应不同的工作环境和条件。Adaptingtodifferentworkingenvironments:Theworkingenvironmentofwindturbinesisoftenverycomplexandinfluencedbyvariousfactors.ThefuzzyPIDcontrollercanadaptivelyadjustthecontrolstrategytoadapttodifferentworkingenvironmentsandconditionsthroughtheprocessingoffuzzylogic.模糊PID控制在风力发电机组的变桨距控制系统中具有广泛的应用前景。通过结合模糊逻辑和PID控制的优点,模糊PID控制器能够实现对风力发电机组的快速、精确和稳定控制,提高系统的运行效率和可靠性。FuzzyPIDcontrolhasbroadapplicationprospectsinthevariablepitchcontrolsystemofwindturbines.BycombiningtheadvantagesoffuzzylogicandPIDcontrol,thefuzzyPIDcontrollercanachievefast,accurate,andstablecontrolofwindturbines,improvingtheoperationalefficiencyandreliabilityofthesystem.四、模糊前馈与模糊PID结合的变桨距控制策略VariablepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPID风力发电机组的变桨距控制是确保机组稳定运行和最大功率捕获的关键技术之一。传统的PID控制策略虽然在一定程度上能够满足变桨距的需求,但在处理非线性、不确定性和快速变化的风速环境时,其性能往往受到限制。因此,本文提出了一种结合模糊前馈和模糊PID的变桨距控制策略,旨在提高风力发电机组的运行效率和稳定性。Thevariablepitchcontrolofwindturbinesisoneofthekeytechnologiestoensurestableoperationandmaximumpowercapture.AlthoughtraditionalPIDcontrolstrategiescanmeettherequirementsofvariablepitchtoacertainextent,theirperformanceisoftenlimitedwhendealingwithnonlinear,uncertain,andrapidlychangingwindspeedenvironments.Therefore,thisarticleproposesavariablepitchcontrolstrategythatcombinesfuzzyfeedforwardandfuzzyPID,aimingtoimprovetheoperationalefficiencyandstabilityofwindturbines.模糊前馈控制策略的设计基于模糊逻辑系统,通过构建风速与桨距角之间的模糊关系,实现对风速的快速响应。模糊逻辑系统能够处理不确定性和非线性问题,因此在处理复杂多变的风速环境时表现出色。通过将模糊前馈引入变桨距控制系统,可以实现对风速的快速跟踪,并提前调整桨距角,从而优化风能利用效率和减少机械应力。Thedesignoffuzzyfeedforwardcontrolstrategyisbasedonafuzzylogicsystem,whichconstructsafuzzyrelationshipbetweenwindspeedandpitchangletoachieverapidresponsetowindspeed.Fuzzylogicsystemscanhandleuncertaintyandnonlinearproblems,andthereforeperformwellindealingwithcomplexandvariablewindspeedenvironments.Byintroducingfuzzyfeedforwardintothevariablepitchcontrolsystem,thewindspeedcanbequicklytracked,andthepitchanglecanbeadjustedinadvance,soastooptimizetheefficiencyofwindenergyutilizationandreducemechanicalstress.模糊PID控制策略则是将传统的PID控制与模糊逻辑相结合,通过模糊化PID控制器的参数调整过程,实现对系统动态特性的更好适应。模糊PID控制器能够根据系统的运行状态和误差信息,实时调整PID控制器的比例、积分和微分系数,从而实现对桨距角的精确控制。模糊PID控制策略不仅保留了PID控制器的优点,还通过引入模糊逻辑提高了系统的鲁棒性和适应性。ThefuzzyPIDcontrolstrategycombinestraditionalPIDcontrolwithfuzzylogic,andachievesbetteradaptationtothedynamiccharacteristicsofthesystemthroughtheparameteradjustmentprocessofthefuzzyPIDcontroller.ThefuzzyPIDcontrollercanadjusttheproportional,integral,anddifferentialcoefficientsofthePIDcontrollerinrealtimebasedontheoperatingstatusanderrorinformationofthesystem,therebyachievingprecisecontrolofthepitchangle.ThefuzzyPIDcontrolstrategynotonlyretainstheadvantagesofthePIDcontroller,butalsoimprovestherobustnessandadaptabilityofthesystembyintroducingfuzzylogic.结合模糊前馈和模糊PID的变桨距控制策略,能够在保证系统稳定性的同时,实现快速响应和精确控制。在风速快速变化时,模糊前馈能够快速调整桨距角以跟踪风速变化;而在系统稳定运行时,模糊PID则能够精确控制桨距角以优化风能利用效率和减少机械应力。这种结合策略既发挥了模糊前馈的快速响应能力,又利用了模糊PID的精确控制能力,从而提高了风力发电机组的整体性能。ThevariablepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPIDcanachievefastresponseandprecisecontrolwhileensuringsystemstability.Whenthewindspeedchangesrapidly,fuzzyfeedforwardcanquicklyadjustthepitchangletotrackthewindspeedchanges;Whenthesystemoperatesstably,fuzzyPIDcanaccuratelycontrolthepitchangletooptimizewindenergyutilizationefficiencyandreducemechanicalstress.Thiscombinationstrategynotonlyleveragesthefastresponseabilityoffuzzyfeedforward,butalsoutilizestheprecisecontrolabilityoffuzzyPID,therebyimprovingtheoverallperformanceofwindturbines.为了验证所提出控制策略的有效性,我们进行了仿真实验和实地测试。实验结果表明,与传统的PID控制策略相比,结合模糊前馈与模糊PID的变桨距控制策略在风速快速变化时具有更好的跟踪性能和稳定性;在稳定运行状态下也能够实现更高的风能利用效率和更低的机械应力。这些结果证明了所提出控制策略的有效性和优越性。Toverifytheeffectivenessoftheproposedcontrolstrategy,weconductedsimulationexperimentsandfieldtests.TheexperimentalresultsshowthatcomparedwithtraditionalPIDcontrolstrategies,thevariablepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPIDhasbettertrackingperformanceandstabilitywhenwindspeedchangesrapidly;Understableoperatingconditions,higherwindenergyutilizationefficiencyandlowermechanicalstresscanalsobeachieved.Theseresultsdemonstratetheeffectivenessandsuperiorityoftheproposedcontrolstrategy.结合模糊前馈与模糊PID的变桨距控制策略是一种有效的风力发电机组控制方法。通过引入模糊逻辑系统,该策略能够处理非线性、不确定性和快速变化的风速环境,实现对桨距角的快速响应和精确控制。未来的研究工作可以进一步优化模糊逻辑系统的设计和提高控制策略的自适应性,以适应更广泛的风力发电机组应用场景。ThevariablepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPIDisaneffectivecontrolmethodforwindturbines.Byintroducingafuzzylogicsystem,thisstrategycanhandlenon-linear,uncertain,andrapidlychangingwindspeedenvironments,achievingfastresponseandprecisecontrolofpitchangle.Futureresearchcanfurtheroptimizethedesignoffuzzylogicsystemsandimprovetheadaptabilityofcontrolstrategiestoadapttoawiderrangeofwindturbineapplicationscenarios.五、仿真与实验验证Simulationandexperimentalverification为了验证所提出的模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制策略的有效性,我们进行了详细的仿真和实验验证。InordertoverifytheeffectivenessoftheproposedwindturbinepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPID,weconducteddetailedsimulationandexperimentalverification.我们利用MATLAB/Simulink建立了风力发电机组的详细仿真模型,包括风力机、齿轮箱、发电机和控制系统。在仿真模型中,我们实现了模糊前馈与模糊PID结合的变桨距控制策略,并与传统的PID控制策略进行了对比。仿真结果表明,在风速突变和负载变化的情况下,结合模糊前馈的模糊PID控制策略能够更快地响应并稳定桨距角,从而有效地减少功率波动和提高风能利用率。WehaveestablishedadetailedsimulationmodelofwindturbinesusingMATLAB/Simulink,includingwindturbines,gearboxes,generators,andcontrolsystems.Inthesimulationmodel,weimplementedavariablepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPID,andcompareditwithtraditionalPIDcontrolstrategies.Thesimulationresultsshowthatinthecaseofsuddenchangesinwindspeedandload,thefuzzyPIDcontrolstrategycombinedwithfuzzyfeedforwardcanrespondfasterandstabilizethepitchangle,effectivelyreducingpowerfluctuationsandimprovingwindenergyutilization.为了进一步验证所提出控制策略在实际系统中的性能,我们在一个缩小的风力发电机组实验平台上进行了实验验证。实验平台能够模拟真实的风速变化和负载情况。通过实验,我们验证了模糊前馈与模糊PID结合的控制策略在实际应用中的可行性和有效性。实验结果表明,该控制策略能够显著提高风力发电机组的稳定性和风能利用效率。Inordertofurtherverifytheperformanceoftheproposedcontrolstrategyinpracticalsystems,weconductedexperimentalverificationonascaleddownwindturbineexperimentalplatform.Theexperimentalplatformcansimulaterealwindspeedchangesandloadconditions.Throughexperiments,wehaveverifiedthefeasibilityandeffectivenessofthecontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPIDinpracticalapplications.Theexperimentalresultsshowthatthiscontrolstrategycansignificantlyimprovethestabilityandwindenergyutilizationefficiencyofwindturbines.通过仿真和实验验证,我们证明了模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制策略在提高系统稳定性和风能利用效率方面具有显著优势。这为风力发电机组的优化控制提供了新的思路和方法。Throughsimulationandexperimentalverification,wehavedemonstratedthatthewindturbinepitchcontrolstrategycombiningfuzzyfeedforwardandfuzzyPIDhassignificantadvantagesinimprovingsystemstabilityandwindenergyutilizationefficiency.Thisprovidesnewideasandmethodsfortheoptimizationcontrolofwindturbines.六、结论与展望ConclusionandOutlook本文研究了模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制策略,并通过仿真实验验证了其有效性。研究结果表明,该控制策略能够显著提高风力发电机组的运行稳定性和风能利用效率。在风速波动较大的情况下,该控制策略能够快速响应风速变化,调整桨距角,保持机组输出功率的稳定。该控制策略还能够根据风速和机组运行状态,自适应地调整PID控制器的参数,提高了控制的灵活性和准确性。ThisarticlestudiesthevariablepitchcontrolstrategyofwindturbinesbasedonthecombinationoffuzzyfeedforwardandfuzzyPID
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