风力发电机组模糊控制器的设计与仿真.pdf

《风力发电机组模糊控制器的设计与仿真.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、研究与应用化工自动化及仪表，2010，37(12)：76-79ControlandInstrumentsinChemicalIndustry风力发电机组模糊控制器的设计与仿真胡世忠，郑恩让(陕西科技大学电气与信息工程学院风力发电实验室，西安710021)摘要：风力发电机组是复杂的多变量非线性系统，受参数变化和外部干扰严重，具有强耦合与强时变性，针对此特点本文设计了模糊控制器，建立了风力发电系统仿真模型，使得在额定风速以下时。根据风速变化，控制电机转速获得最佳叶尖速比，实现跟踪最大功率的目标；在额定风速以上时，控制风轮的桨距角以调节风能利用系数，实现风力发电机组的恒功

2、率输出。通过Matlab仿真，对所设计的模糊控制器进行了仿真研究，结果表明：模糊控制器能够显著提高风力发电系统的稳定性和鲁棒性，具有良好的性能和控制效果。关键词：风力发电；模糊控制；变速变桨；仿真中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1000．3932(2010)124)076-041引言如今，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风力发电机组的输出功率是风速三次方的函数，当风速快速变化时，控制系统必须对风力发电机组进行快速有效的调节，保证机组的稳定性。然而风力发电机组是典型的复杂多变量非线性系统，受干扰因素很多，除了风速

3、的大小和方向随机变化以外，还受电网的参数波动和大气条件等因素的影响。传统的基于数学模型的控制方法需要首先建立一个有效的系统模型，但是由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的确定很困难⋯。传统控制方法是基于对象线性化模型的线性控制策略，文献[2]采用电功率作为反馈信号构成闭环控制系统，可避免风速难于精确测量的问题，使风力机在各种风速下按最大功率运行，实现最佳叶尖速比控制。该控制策略的缺点是对于快速随机变化的风速，调节相对滞后；文献[3]采用增益可调的增量式PID算法对桨距角、叶轮转速和电功率进行控制。但是增益可调的增量式PID算法同样也存在缺点，比如

4、增益调节表的获取比较困难，而且没有修正算法等。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种重要而有效的智能控制方法。模糊控制器由模糊化接El、知识库、推理机和模糊判决接口四个基本单元组成H1。模糊控制不需要对象的精确数学模型，具有较好的动态性能，特别适合于处理难以建立精确数学模型多变量、时变、非线性等不确定系统p1。本文首先分析了风力发电系统的运行机理，简述了系统的控制策略，设计了低风速区和高风速区两个模糊控制器，实现最大功率跟踪控制和恒功率输出这两个控制目标。额定风速以下时，根据风速变化，控制电机转速获得最佳叶尖速比，实现最大功率跟踪；额定风速以

5、上时，控制风轮的桨距角以调节风能利用系数，实现风电机组的恒功率输出。通过Matlab仿真软件建立了风力发电系统的仿真模型，进行了跟踪特性和抗干扰特性的仿真研究，给出了系统的仿真结果。2风力发电机组运行机理现在风力发电机组的主流是变桨变速风力发电机组，它的结构原理如图1所示，主要由风力机、增速箱、发电机、变流器和控制系统等组成。风以一定的速度和攻角作用在风轮的桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速箱驱动发电机，发电机将机械能转变为电能，一部分通过定子直接输送到电网，另一部分通过变流器从转子输送到电网。风图1风力发电系统结构图2．1风轮的气动

6、特性㈣根据空气动力学中的贝兹(Betz)理论，风力机收稿日期：2010．10-19(修改稿)基金项目：陕西省科技厅基金资助项目(2008KW一14)第12期胡世忠等．风力发电机组模糊控制器的设计与仿真·77·所捕获的风能可转变为机械输出功率P，：P，=如SC，(A，卢)口3(1)式中：P，——风轮吸收功率，w；p——空气密度，kg／m3；．s——风轮扫掠面积，m2；C。——风能利用系数，最大值是贝兹极限59．3％；A——叶尖速比，A：坚；月——风轮半径，m；∞，——风轮转动角速度，rad／s；卜浆距角，deg；卜风速，m／s。风能利用系数C，是叶尖速比和浆距角的函数

7、，即C，=，(A，口)。本文采用下面的公式计算一1：『Co(邯)=o．22(学-o．郇_5)e半{1lo．035(2’l了2—A+0—．08B一矿万风轮的运动方程可表示为：小警=t—nL(3)式中：．，，——风轮转动惯量，kg·m2；厅——增速箱传动比；z——风轮的气动转矩，N·m；L——转动轴传递给刚性齿轮的扭矩，N·m。风轮转矩与功率之间的关系为：t=三=扣们2C舢，／3)苦(4)2．2发电机发电机采用双馈异步发电机，它的定子绕组直接接入电网，转子绕组通过变流器与电网连接。通过调节定子电压就可以改变发电机反力矩，进而改变风轮转速，使得转速跟随风速变化，捕获最