帶自調整因子的雙饋風力發(fā)電空載并網模糊控制

(寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西 寶雞 721007)

0 引言

近年來，變速恒頻風力發(fā)電機組因其有功、無功功率解耦控制、能量四象限運行以及變流器容量小等優(yōu)點而受到廣泛應用[1-2]。隨著單機容量及裝機規(guī)模的不斷增大，機組安全平穩(wěn)并網是雙饋風電機組持續(xù)發(fā)電運行的首要條件。

目前，變速恒頻風力發(fā)電機組并網方式主要有：空載并網、負載并網和孤島并網[1]。其中，空載并網因其結構、控制簡單，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應用。國內外學者也對其控制方式做了相關研究。參考文獻[2-3]采用傳統(tǒng)矢量變換，將PID控制方式實現(xiàn)并網前發(fā)電機定子電流與電網電流在幅值、頻率、相位上的一致，從而實現(xiàn)并網。PID控制方式簡單，但控制效果依賴于雙饋電機的精確數(shù)學模型。參考文獻[4]提出一種BP神經網絡PID的空載并網控制策略，并網過渡過程短，穩(wěn)態(tài)精度較高，但該算法中PID參數(shù)的準確性取決于BP神經網絡各層數(shù)的節(jié)點數(shù)。參考文獻[5]提出了基于定子磁鏈定向的雙饋電機模糊PID控制策略，實現(xiàn)了良好的并網動態(tài)品質。但其在控制器設計中，模糊控制規(guī)則是不能改變的。在實際的空載并網過程中，雙饋電機定子電壓和電網電壓的誤差大小是不斷變化的，為了更好地動態(tài)調節(jié)過程，需要模糊論域根據誤差的調節(jié)而調節(jié)。

基于此，在參考文獻[5]的基礎上，提出了帶自調整因子的雙饋風力發(fā)電空載并網模糊控制，控制器根據d，q軸電流誤差大小分配不同的調整因子，從而使控制論域得到自我調整，進一步加速了空載并網的過渡過程，增強了并網的平穩(wěn)性。

1 雙饋電機空載并網數(shù)學模型

在建立雙饋電機數(shù)學模型之前，規(guī)定電機定子繞組采用發(fā)電機慣例；轉子繞組采用電動機慣例。在同步旋轉d，q坐標系下，雙饋電機的定、轉子電壓、電流磁鏈方程為[6]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，ud1，uq1，ud2，uq2，id1，iq1，id2，iq2分別表示定、轉子電壓，電流的d，q軸分量；ψd1，ψq1，ψd2，ψq2分別表示定、轉子磁鏈的d，q軸分量；(ω1-ωr)為dq坐標系相對于轉子的角速度；R1，R2分別為定、轉子電阻；L1，L2分別為定、轉子電感；Lm為定、轉子互感。

雙饋電機空載并網的基本理論是[7]：并網前，電機不帶負載，即定子電流為0，反映到同步旋轉坐標系，即id1=0，iq1=0。通過控制雙饋電機轉子交流勵磁電源的幅值及頻率使定子側發(fā)出電的幅值、頻率、相位與電網電壓的幅值、頻率、相位一致，從而達到并網要求。

采用定子磁鏈定向矢量控制，將定子磁鏈定向于d軸上，則

(5)

將id1=0，iq1=0和式(5)代入式(4)中，得空載并網時雙饋電機轉子電流指令值為：

(6)

將id1=0，iq1=0 和式(6)代入(2)中，得轉子電壓方程為：

(7)

式(5)～ (7)構成了雙饋電機空載并網數(shù)學模型。

2 帶自調整因子模糊PID控制器設計

模糊PID控制是在系統(tǒng)運行過程中，不斷檢測給定與反饋的偏差e及偏差變化率ec=de/dt，根據事先確定的模糊約束關系及推理方法，實時在線修正P，I，D參數(shù)，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)品質。根據其工作原理，設計過程如下[8-10]：

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2.1 確定模糊控制器的輸入輸出變量。

根據1章中的雙饋電機空載并網數(shù)學模型，有轉子電流id2，iq22個控制環(huán)，因此，選取id2給定電流與反饋電流的偏差ed及偏差變化率edc做為模糊控制器1的輸入；選取iq2給定電流與反饋電流的偏差eq及偏差變化率eqc做為模糊控制器2的輸入,2個控制器的輸出分別為其對應的P，I，D參數(shù)增量，即，ΔKP，ΔKI，ΔKD。根據雙饋風力發(fā)電機實際運行經驗，并且考慮電壓、電流傳感器檢測誤差，取偏差ed，eq及偏差變化率edc，eqc的模糊基本論域為[-5，5]，輸出量ΔKP，ΔKI，ΔKD的論域為[-10，10]。

2.2 模糊化輸入輸出變量。

模糊控制的精度是隨變量量化等級的增加而提高的。在本文中，設計ed，eq，edc，eqc，ΔKP，ΔKI，ΔKD均包含7個模糊等級，即：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。對應的模糊語言均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，該集合中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大[3]。

在雙饋電機空載并網過程中，考慮到并網電網偏差的產生是隨機的，同時為簡化計算，輸入輸出變量的模糊子集都采用三角函數(shù)的隸屬度函數(shù)。

2.3 確定PID參數(shù)模糊控制規(guī)則

在空載并網策略中，對2個電流環(huán)偏差e的控制規(guī)律尤為重要，控制規(guī)律設置的不合適會使定子電壓與電網電壓相差較大，并網過程出現(xiàn)較大過沖。以id2環(huán)為例，當id2的給定值與反饋值相差較大時，應取較大的KP，使轉子電壓分量ud2輸出幅度增加，以提高定子輸出電壓幅度；但是為了避免由于開始時偏差ed的瞬間變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應取較小的KD，同時為了防止系統(tǒng)速度響應出現(xiàn)較大的超調，產生積分飽和，應對積分作用加以限制，通常取KI=0，等等。根據空載并網的控制經驗，可得到并網控制的輸出參數(shù)(ΔKP，ΔKI，ΔKD)的模糊控制規(guī)則共49條。通過查詢該表并且經過解模糊就可以得到ΔKP，ΔKI和ΔKD的最終輸出值，雙饋電機在不同的工況下調用不同的控制規(guī)則來調節(jié)定子電壓，使其與電網電壓的幅值、相位、頻率相一致。

2.4 調整控制因子

在上述的模糊控制規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，若設模糊控制器的輸入(偏差e和偏差變化率ec)和輸出(ΔKP，ΔKI，ΔKD)變量統(tǒng)一為u，且每個變量的模糊等級相同，則有以下規(guī)律：

{e}={ec}={u}={-m，-m+1，...，-2，-1，0，+1，+2，...，m-1，m}。

由表1可得出:

u= -(e+ec)/2

(8)

在本論文中，考慮給空載并網模糊控制器中加入調整因子α，則(8)式變?yōu)椋?/p>

u=-[αe+(1-α)ec]α∈(0,1)

(9)

通過對α的調節(jié)，可以改變e及ec的作用程度，達到調節(jié)控制規(guī)律的目的。

對于雙饋風力發(fā)電空載并網控制，在并網的起始時刻，定子電壓與電網電壓幅值偏差e較大，這時需要e在控制規(guī)律中起較大作用；在并網過程趨向穩(wěn)態(tài)階段時，電壓偏差已經調節(jié)的比較小，希望在盡可能短的時間內使系統(tǒng)穩(wěn)定，這就需要在控制規(guī)律中ec起較大作用。

α1,α2∈(0,1),α1<α2

(10)

圖1 帶自調整因子模糊控制器結構

2.5 模糊量的清晰化

將模糊控制器的輸出量ΔKP，ΔKI，ΔKD采用重心法轉化為精確量。

3 實驗結果驗證

為了驗證所提帶自適應調整因子模糊控制的雙饋風力發(fā)電空載并網控制策略優(yōu)越性，在自行搭建的雙饋風力發(fā)電模擬平臺上進行了實驗研究。系統(tǒng)參數(shù)是，雙饋電機額定功率15 kW；額定電壓380 V；極對數(shù)為3；定子電阻為0.658 1 Ω；定子電抗為1.334 6 Ω；轉子電阻為0.105 8 Ω；轉子電抗為2.177 8 Ω；互感電抗為42.734 Ω。雙饋電機定子側通過升壓變壓器并網。

在本設計中經過反復驗證，確定當α1=0.68和α2=0.32時空載并網產生的沖擊最小，因此在兩個轉子電流環(huán)中調整因子均設置為0.68和0.32。圖2、圖3分別為采用常規(guī)的模糊PID控制和采用帶調整因子的模糊控制實驗波形?？梢钥闯?，常規(guī)模糊控制時，定子電壓與電網電壓差較大，導致并網時刻定子電流有較大沖擊，并網過程在大概20 ms后趨于穩(wěn)態(tài)；采用所提控制策略后，減小了并網時的電流沖擊，且過渡過程短暫。在兩種控制策略均滿足并網要求的條件下，所提策略能根據誤差及誤差率的變化及時調整控制論域，使定子電壓跟快、更精確的達到電網電壓，提高了機組并網時的穩(wěn)定性。

圖2 常規(guī)模糊控制空載并網實驗圖

4 結束語

為了改善傳統(tǒng)基于PID控制的雙饋電機空載并網過程依賴電機精確數(shù)學模型的不足，在模糊控制PID基礎上，提出了帶自調整因子的雙饋電機空載并網模糊控制。分5步驟設計了帶2個自調整因子的模糊PID控制器，可以根據空載并網的不同過程動態(tài)調整模糊控制論域。通過與傳統(tǒng)的模糊控制空在并網實驗結果相比較，可以看出所涉及的控制器能夠更加準確、迅速的調整定子電壓使其滿足并網要求。

圖3 帶自調整因子模糊控制空載并網實驗

參考文獻：

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