基于模糊滑?？刂频?5mw變速-變槳距風(fēng)機(jī)的建模與仿真

基于模糊滑模控制的15mw變速-變槳距風(fēng)機(jī)的建模與仿真

0變槳距和模糊控制目前，風(fēng)能研究的重點(diǎn)是大型化、海上風(fēng)機(jī)、通風(fēng)運(yùn)行的控制策略和優(yōu)化。風(fēng)力機(jī)變速-變槳距調(diào)節(jié)方式是風(fēng)能收集和轉(zhuǎn)換的兩種主要功率調(diào)節(jié)方式，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速的情況下，主要采用變速調(diào)節(jié)方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換功率；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，采用變槳距調(diào)節(jié)方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率基本上等于額定功率。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速較低，在風(fēng)速超過(guò)其額定風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)組的出力也不會(huì)下降，始終保持在接近理想水平，提高了發(fā)電效率。同時(shí)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片較薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于制造大型發(fā)電機(jī)組。因此，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變速-變槳距技術(shù)。對(duì)于兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變速-變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足驅(qū)動(dòng)力大、有足夠的強(qiáng)度和精度等要求。液壓控制系統(tǒng)剛度大，輸出位移量受負(fù)載影響小，定位準(zhǔn)確，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，系統(tǒng)頻帶寬，因此選用液壓系統(tǒng)作為變槳距的動(dòng)力系統(tǒng)。但是，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫(kù)倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征。同時(shí)，由于風(fēng)能具有能量密度低、隨機(jī)性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，所以風(fēng)力機(jī)是一個(gè)復(fù)雜多變量的非線性不確定系統(tǒng)。因此，采用可靠的控制技術(shù)是機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)風(fēng)力機(jī)具有的這一特性，采用模糊滑?？刂疲梢猿浞掷闷浞蔷€性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等功能，克服風(fēng)電系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)變與非線性因素。因此，模糊滑?？刂品浅＿m合于兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的控制。文獻(xiàn)[1-5、12-13]對(duì)模糊控制做了詳細(xì)闡述，文獻(xiàn)對(duì)滑?？刂谱隽溯^詳細(xì)闡述，但都沒(méi)有把二者結(jié)合起來(lái)給出進(jìn)一步的數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果。本文把模糊控制策略和滑模變結(jié)構(gòu)控制策略結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。另外，選擇不同坐標(biāo)系和不同定向矢量所得到的發(fā)電機(jī)模型是不同的。文獻(xiàn)[15-20]都對(duì)此做了詳細(xì)研究，但是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)比較復(fù)雜，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為此，本文建立了一個(gè)更加簡(jiǎn)潔、有效的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，結(jié)合模糊滑?？刂圃O(shè)計(jì)得到了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速-變槳距控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用Matlab/Simulink軟件完成了對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的仿真分析。1風(fēng)力機(jī)實(shí)際機(jī)組與風(fēng)速模型變速-變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電網(wǎng)、控制器、變換器7個(gè)部分構(gòu)成。風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系為風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)能轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的關(guān)系為式中CP(λ,β)、Cq(λ,β)分別為風(fēng)能系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，二者的關(guān)系為式中：λ=ωtR/v為風(fēng)機(jī)葉尖速比；ωt為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；v為風(fēng)速；ρ為空氣密度，R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑，β為槳距角。CP(λ,β)和Cq(λ,β)與λ和β存在非線性關(guān)系，λ=10、β=0時(shí)，可以得到一個(gè)最佳風(fēng)能系數(shù)，如圖2所示。2轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子q軸磁場(chǎng)定向目前，MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多數(shù)采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一個(gè)高階非線性強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，要想對(duì)MW級(jí)風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制，就必須對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立一個(gè)比較精確的模型。本文提出采用dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)定子q軸磁場(chǎng)定向，可以簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，且容易實(shí)現(xiàn)。在定子和轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱、繞組匝數(shù)相等的條件下，可建立如下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型：由于采用dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)定子q軸磁場(chǎng)定向，顯然有：電磁轉(zhuǎn)矩可表示為式(4)、(6)構(gòu)成了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的5階模型。其中，ψ為磁鏈；Ls和Lr分別為定子和轉(zhuǎn)子的自感；Lm為定子和轉(zhuǎn)子的互感；R為電阻；ω為定子電壓角頻率，等于同步旋轉(zhuǎn)角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子角頻率；np為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；D為微分算子；下標(biāo)1、2、q、d分別表示定子側(cè)量、轉(zhuǎn)子側(cè)量、q軸分量、d軸分量，以上轉(zhuǎn)子各量均已折算至定子側(cè)。由式(4)發(fā)現(xiàn)，在第1、第2行出現(xiàn)了零元素，減少了多變量之間的耦合關(guān)系，另外發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩僅和定子側(cè)磁鏈和d軸電流這2個(gè)變量有關(guān)，大大簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)的模型。3模糊光滑模型的控制策略3.1綜合方法與方法模糊控制最大特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素影響，對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。但是模糊控制器參數(shù)需經(jīng)過(guò)反復(fù)試湊才能確定，缺少穩(wěn)定性分析和綜合方法?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是一種非線性魯棒控制方法，它主要用于處理建模的不精確性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)即使模型不精確，也能良好的維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。但是實(shí)際的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于切換開(kāi)關(guān)非理想等因素影響，使滑動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生高頻抖振，這就是變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的“抖振”問(wèn)題。模糊控制和滑?？刂聘饔袃?yōu)缺點(diǎn)，二者結(jié)合就構(gòu)成模糊滑?？刂破?，如圖3所示。本文根據(jù)風(fēng)速大小設(shè)計(jì)了2個(gè)模糊滑模控制器：風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時(shí)，采用模糊滑模變速控制器，目的是獲得一個(gè)最佳風(fēng)能系數(shù)，從而最終獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時(shí)，采用模糊滑模變槳距控制器，通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率基本保持不便，恒等于額定功率。3.2變槳距控制器考慮一般的情況，對(duì)n階系統(tǒng)：式中：X(t)為n階狀態(tài)變量；U(t)為控制量；F(t)為擾動(dòng)量；A∈Rn×n、B∈Rn×n、D∈Rn×1為相應(yīng)的系數(shù)矩陣。則可以設(shè)計(jì)一個(gè)超曲面：式中S(t)=[s1,???,sm]T∈Rm,C∈Rm×n。對(duì)S(t)求微分，得到：式中：G=?s/?x∈Rm×n為S(t)的梯度，并且det(CB)≠0。從這m個(gè)方程中可求得m維控制量，這一向量用Ueq表示，稱之為等價(jià)控制。只要使式(11)成立，系統(tǒng)就滿足李亞普諾夫穩(wěn)定性理論，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組變速控制系統(tǒng)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式為把式(6)帶入式(12)中，設(shè)Ke=npLmψ1/Ls得到：設(shè)X1(t)=ωg-ωg*，ωg*為轉(zhuǎn)速的參考輸入，有式中：a1=-B/Jg;b1=-Ke/Jg;d1=1/Jg，有為了使系統(tǒng)能夠盡快到達(dá)滑動(dòng)面，采用指數(shù)趨近律的形式設(shè)計(jì)間斷面：式中sgn(?)為符號(hào)函數(shù)，為從而得到控制量U1為把式(15)帶入式(19)中，得到：當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，采用變槳距控制方式。變槳距控制實(shí)際上通過(guò)調(diào)節(jié)變槳距系統(tǒng)的槳距角，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的恒功率控制。風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)可由一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)表示：式中：τβ為慣性時(shí)間常數(shù)，這里值取為0.2。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)能功率P和槳距角β進(jìn)行最小二乘法擬合得到下式：式(24)求導(dǎo)得到：式中：β=1，即變槳距速度為1°/s，設(shè)X2(t)=P-P*，P*為功率的參考輸入，帶入式(16)、(17)中，求解一階方程，可得到：式中：α=-0.0337；μ=1.5766；λ=-2.5050。把式(26)帶入式(19)中，得到：整理得到：設(shè)，有3.3模糊推理方法在滑?？刂浦?，不確定干擾的上確界，包括參數(shù)變化和外部負(fù)荷干擾，即式(16)中的參數(shù)項(xiàng)h，必須被有效地確定。然而，不確定的上確界項(xiàng)在實(shí)際應(yīng)用中難以獲得，因此，可使用模糊推理方法來(lái)估計(jì)集成不確定的上確界。與常規(guī)的估計(jì)器相比，模糊推理方法使用先前的專家知識(shí)以更能有效地完成控制目標(biāo)。模糊滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)采用最常用的三角形隸屬函數(shù)，圖4和圖5分別為輸入變量和輸出變量的三角形隸屬函數(shù)，采用歸納經(jīng)驗(yàn)法建立模糊規(guī)則，對(duì)于輸入變量s和s，采用常用的Mamdani控制規(guī)則，每個(gè)控制規(guī)則表可建立9條控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則如表1所示。模糊規(guī)則建立后，接著進(jìn)行模糊推理。采用Mamdani推理方法，其合成方式直接采用極大極小運(yùn)算。經(jīng)過(guò)模糊計(jì)算后，再采用解模糊化方法對(duì)輸出信息進(jìn)行精確化處理。4變距控制下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)1.5MW雙饋異步風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了研究和仿真，機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。當(dāng)風(fēng)速由切入風(fēng)速4m/s變化到額定風(fēng)速12.2m/s，采用變速控制方式。λ=10、β=0條件下，通過(guò)控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，得到一個(gè)最佳風(fēng)能功率系數(shù)Cp-opt(λ,β)，該值大約等于0.44，風(fēng)力機(jī)也捕獲得到最大風(fēng)能功率。當(dāng)風(fēng)速由額定風(fēng)速12.2m/s變化到切出風(fēng)速25m/s，采用變距控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率為額定值。圖6所示為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化的曲線。圖7為在變速控制下，最佳風(fēng)能系數(shù)Cp-opt(λ,β)變化的情況。圖8為在變槳距控制下風(fēng)能系數(shù)Cp(λ,β)變化的情況。圖9為在變槳距控制下槳距角β的變化曲線。圖10為在變速控制下風(fēng)機(jī)輸出功率曲線。圖11為在變槳距控制下風(fēng)機(jī)輸出功率曲線。由圖6可見(jiàn)在變速控制中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，目的是得到最佳風(fēng)能系數(shù)Cp-opt(λ,β)，從而使在不同風(fēng)速都能獲得最大功率；而在變槳距控制時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本維持額定轉(zhuǎn)速不變，目的是使發(fā)電機(jī)輸出額定功率不變。圖7所示發(fā)電機(jī)在變速控制時(shí)最佳風(fēng)能系數(shù)Cp-opt(λ,β)基本上在理論最優(yōu)值0.44附近變化，說(shuō)明模糊滑模變速控制器的作用十分有效。圖8、圖9表明在模糊滑模變槳距控制中，槳距角β隨著風(fēng)速的增加而增大，風(fēng)能系數(shù)Cp-opt(λ,β)隨著風(fēng)速的增加而減小。圖10、圖11表明在變速控制時(shí)，發(fā)電機(jī)隨風(fēng)速變化輸出最大功率，在變槳距控制時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率基本不隨風(fēng)速變化，穩(wěn)定在額定輸出功率值。5發(fā)電機(jī)控制研究針對(duì)1