模糊控制理論在風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

任建華，趙凱龍，劉欣宜

（河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

0 引 言

風(fēng)能作為動(dòng)力源存在數(shù)千年之久，在能源短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化的壓力下，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用有著巨大的發(fā)展?jié)摿1]。1941 年工程師Palmer C Putnam 和水輪機(jī)制造商Smith 一起研制了第一臺(tái)大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是最早采用變槳距控制功率的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組[2]?，F(xiàn)在，變槳距控制是兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組智能控制技術(shù)中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)中多采用線性控制方法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但會(huì)造成明顯的數(shù)據(jù)誤差?；诰€性控制方法提出非線性控制方法，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，改進(jìn)數(shù)學(xué)模型，使性能得到優(yōu)化。但是在多風(fēng)況或發(fā)生突變情況下，不能達(dá)到理想的控制效果。為了克服多風(fēng)況條件下控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了模糊控制算法，可根據(jù)風(fēng)速變換進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，編寫變槳控制程序以實(shí)現(xiàn)控制要求。

1 變槳控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在復(fù)雜的自然風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中，如需保證輸出功率的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，則可應(yīng)用變槳控制系統(tǒng)。常通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用率以達(dá)到變槳距控制效果，在低于額定風(fēng)速下，需盡量多的捕捉風(fēng)能，不需要調(diào)節(jié)風(fēng)輪槳距角，工作狀態(tài)與定槳發(fā)電機(jī)組相同；高于額定風(fēng)速的條件下，需要調(diào)節(jié)槳距角保證機(jī)組的載荷和輸出不超出設(shè)計(jì)的設(shè)定值[3-5]。

1.1 變槳系統(tǒng)工作原理

本文采取電動(dòng)統(tǒng)一變槳控制，槳葉根部與輪轂通過(guò)變槳軸承相連，能夠自由旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整葉片的槳距角。如圖1 所示，變槳系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變槳軸承、編碼器、變槳減速器（配合小齒輪）、測(cè)風(fēng)裝置等組成。正常工作階段，實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，變槳系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，PLC控制器經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，采集處理風(fēng)速和槳葉的位置，并通過(guò)查詢模糊控制表確定當(dāng)前情況所給定的槳距角，PLC 控制器通過(guò)當(dāng)前位置與給定槳距角的差值，計(jì)算出槳葉需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向后驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)，帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)力機(jī)的槳距角改變；風(fēng)電機(jī)組正常停車時(shí)，PLC 控制器通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換得到槳葉位置，并計(jì)算槳葉當(dāng)前位置與89°間的差值，將計(jì)算差值通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換后控制變槳電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使槳葉順槳；風(fēng)電機(jī)組緊急停車時(shí)，變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)至91°位置，限位開(kāi)關(guān)接收信號(hào)后，槳葉停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of variable pitch system

1.2 變槳系統(tǒng)硬件選擇

變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，正常情況下電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制轉(zhuǎn)動(dòng)，緊急順槳時(shí)通過(guò)安裝在機(jī)艙內(nèi)蓄電池供電使電機(jī)進(jìn)行工作。大中型風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)中，常采用獨(dú)立變槳距系統(tǒng)，即每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制一個(gè)槳葉，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量總共為3個(gè)。參考某型號(hào)2 MW直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組參數(shù)，滿足變槳系統(tǒng)工作要求所需力矩T=20 000 N·m，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min 的電機(jī)，根據(jù)計(jì)算得出功率為：

因此，選取額定功率為6.5 kW 的伺服電機(jī)。

變槳距系統(tǒng)中具有如圖2 所示的葉片角度傳感器，該傳感器安裝小齒輪與變槳軸承進(jìn)行嚙合，從而測(cè)量槳葉角度。

圖2 葉片角度傳感器Fig.2 Blade angle sensor

對(duì)于風(fēng)的測(cè)量選用圖3 中的FYF-B 數(shù)字式風(fēng)向風(fēng)速變送器，該變送器具有4～20 mA 的模擬量電流輸出，可測(cè)量風(fēng)向和風(fēng)速的瞬時(shí)值以及平均值，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組具有重要作用。該變送器的基本參數(shù)為：風(fēng)速測(cè)量范圍為0～60 m/s（最大抗風(fēng)強(qiáng)度為70 m/s），采樣風(fēng)速分辨率為0.1 m/s，工作風(fēng)速≤0.5 m/s；風(fēng)向測(cè)量范圍為0°～360°，風(fēng)向顯示分辨率為1°。

圖3 風(fēng)速風(fēng)向變送器Fig.3 Wind speed and direction transmitter

2 變槳控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)是通過(guò)控制風(fēng)速與功率變化來(lái)決定槳距角的變化情況。變槳系統(tǒng)工作流程如圖4 所示，在高風(fēng)速段，PLC 通過(guò)功率變送器接收并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率P，將數(shù)據(jù)讀取至模擬量輸入模塊，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后判斷是否需要執(zhí)行變槳程序。如果需要執(zhí)行變槳程序，則檢測(cè)槳葉當(dāng)前位置β1，并與計(jì)算槳距角β進(jìn)行比較，判斷槳葉旋轉(zhuǎn)方向與角度，將槳距角輸出量經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后送到模擬量輸出模塊。變槳機(jī)構(gòu)工作完成后，確定槳葉當(dāng)前位置來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)角度是否符合要求，如符合則結(jié)束程序，否則繼續(xù)執(zhí)行變槳程序[6]。

圖4 變槳控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Workflow chart of variable pitch control system

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

本文采取功率控制法控制槳距角變化，在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，采用功率理論值與實(shí)際值間的差值e及其誤差變化量作為輸入量，槳距角變化量u作為輸出量。研究選取三角型隸屬函數(shù)，應(yīng)用Matlab 中的Fuzzy（模糊）工具箱中建立模糊控制器，選擇輸入、輸出隸屬函數(shù)，如圖5 所示。

圖5 變槳模糊控制器隸屬函數(shù)Fig.5 Membership functions of variable pitch fuzzy controller

3.2 模糊控制規(guī)則

根據(jù)模糊輸入e的變化來(lái)設(shè)定模糊控制規(guī)則：當(dāng)|e|較大時(shí)，需盡快消除誤差；當(dāng)|e|保持在中等水平時(shí)，既需減小超調(diào)還需要使誤差以較快速度消除；當(dāng)|e|較小時(shí)，為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象[7]，建立如表1 所示的模糊控制規(guī)則表。

表1 模糊控制表Table 1 Fuzzy control rules

為減小誤差，降低對(duì)系統(tǒng)的干擾，模糊控制器采用閉環(huán)控制，模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖6 所示。在模糊控制過(guò)程中，將外界輸入信號(hào)與傳感器所檢測(cè)被控對(duì)象的反饋量進(jìn)行比較，將兩者差值進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，使差值轉(zhuǎn)換為控制器所能夠識(shí)別的信號(hào)量，采用該差值以及每次運(yùn)行后的差值變化量作為模糊控制器的輸入，根據(jù)控制要求建立模糊控制表[8]。通過(guò)查詢控制表得到對(duì)應(yīng)的模糊輸出量，模糊輸出量再經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換為精確值從而控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，傳感器檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的被控對(duì)象將反饋量與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。根據(jù)模糊控制規(guī)則，在Matlab 中搭建如圖7 所示的變槳系統(tǒng)模糊控制模型。

圖6 模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of fuzzy controller

圖7 變槳系統(tǒng)模糊控制模型Fig.7 Fuzzy control model of variable pitch system

4 變槳距模型仿真分析

4.1 傳統(tǒng)PID 控制方式仿真及結(jié)果分析

由于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組是當(dāng)前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，以2 MW 直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象具有研究?jī)r(jià)值。采用傳統(tǒng)PID 控制方法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)Matlab/Simulink 對(duì)風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行仿真[9]。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)額定風(fēng)速為12 m/s，一個(gè)仿真周期為60 s，分別模擬了高于額定風(fēng)速與低于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組的工作情況[10]，仿真結(jié)果如圖8，圖9 所示。

4.2 基于模糊控制的仿真模型及結(jié)果分析

該模糊控制器是兩輸入一輸出型模糊控制器，已知功率誤差e的范圍為[-200，200]kW，其論域?yàn)閧-6，-4，-2，0，2，4，6}，則功率誤差e的量化因子為：

已知誤差變化量Δe的范圍為[-400，400]kW/s，其論域?yàn)閧-6，-4，-2，0，2，4，6}，則誤差變化量的量化因子為：

圖8 v=10 m/s 時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率及定子電流Fig.8 Power and stator current of wind turbine generator（v=10 m/s）

圖9 v=18 m/s 時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率及定子電流Fig.9 Power and stator current of wind turbine generator（v=18 m/s）

已知槳距角u的范圍為[-90°，90°]，其論域?yàn)閧-6，-4，-2，0，2，4，6}，則槳距角u的比例因子為：

根據(jù)上文搭建的模糊控制模型，在Fuzzy Logic Controller 模塊中導(dǎo)入fis 文件到模糊控制器中，以此為基礎(chǔ)搭建出如圖10 所示的模糊控制的風(fēng)電機(jī)組模型[11]。通過(guò)Matlab/Simulink 對(duì)變槳系統(tǒng)模糊控制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，因?yàn)檫\(yùn)行周期為60 s，模擬一個(gè)周期內(nèi)風(fēng)速變化如圖11 所示，在高于額定風(fēng)速的情況下，變槳系統(tǒng)進(jìn)行工作，輸出功率與槳距角變化如圖12，圖13所示。

圖10 基于模糊控制設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)模型Fig.10 Model of complete wind turbine generator system based on fuzzy control design

當(dāng)風(fēng)速在12 m/s 以下時(shí)，槳距角為零，風(fēng)電機(jī)組以定槳形式進(jìn)行工作，變槳控制系統(tǒng)在風(fēng)速條件超過(guò)12 m/s時(shí)開(kāi)始工作，采用功率控制法計(jì)算輸出功率與額定功率P=2 000 kW 的差值以及兩次運(yùn)行間差值的變化量，從而通過(guò)模糊控制計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的槳距角值。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)風(fēng)速與功率變化時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，計(jì)算出槳距角的值，可知該模型能夠較好地模擬風(fēng)電機(jī)組在不同自然條件下的工作情況，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的變槳控制模型是正確的，且具有實(shí)時(shí)性。

圖13 槳距角變化情況Fig.13 Variation of pitch angle

5 結(jié) 語(yǔ)

本文參考2 MW 型直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的主要參數(shù)[11]，計(jì)算得出變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率值和需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量，在完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，根據(jù)所選硬件設(shè)計(jì)了變槳控制系統(tǒng)的工作流程圖，根據(jù)控制要求進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

1）因在變槳控制系統(tǒng)中槳距角的變化會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，所以采用模糊控制算法設(shè)計(jì)變槳系統(tǒng)的閉環(huán)控制模型，提出一種變槳距系統(tǒng)模糊控制方法，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)智能化。

2）為驗(yàn)證模糊控制算法的準(zhǔn)確性，在Matlab 中的Fuzzy（模糊）工具箱中搭建模糊控制算法，在與傳統(tǒng)PID 控制的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)模型輸出結(jié)果相比中發(fā)現(xiàn)，基于模糊控制算法的風(fēng)電機(jī)組模型，槳距角變化響應(yīng)迅速，輸出結(jié)果符合預(yù)期，證明了所設(shè)計(jì)的變槳系統(tǒng)的可靠性。