風力發電機組的智能控製設計

 風力發電控（kòng）製係統的基本目（mù）標分為（wéi）3個層次（cì）。這就是保證可靠運（yùn）行（háng），獲取最大（dà）能量，提供良好的電力質量。風力發電係（xì）統的控製（zhì）技術從定漿距發展到變槳距又發展到近年來采用的（de）變速控製技術正是為了達到這一控製（zhì）目標。

　　傳統的（de）變速控製模式需要首先建立一個有效的係統模型，而由於空氣動力學的不確定性和電力電子模型的複（fù）雜性，係統模型的確定不（bú）是件容易的事情（qíng）。從（cóng）已列出的那些可（kě）能影響風力發電機組性能的誤差源和不確定性因素中，研究人員發現，由於（yú）雷諾數（shù）的變化會引起在功率上5%的誤差，而由於葉片上的沉積物和下雨可造成20%的功率變化，其他諸如老化和大氣條件等因素，也將在機組的能量轉換過程中引起不同程（chéng）度（dù）的變（biàn）化。因（yīn）此所有（yǒu）基於某些有效係統模型的控（kòng）製也僅適合於某個特定的係統（tǒng）和一（yī）定的工作周期。由於這（zhè）些原（yuán）因，基於（yú）模糊邏（luó）輯的智能（néng）控（kòng）製技術於最近幾年被引（yǐn）入了（le）風力發電機組控（kòng）製領域並受到研究人員的重（chóng）視。
　　1 模糊邏輯控製
　　模糊（hú）邏輯控製（zhì）是一種新穎的控製策略，與經典（diǎn）的控製策略相比，模糊控製的優勢在於（yú）模糊邏輯（jí）控製器無（wú）需數（shù）學模型即可由控製器執行其功能。不論是在非線性還是多變量係統中，特別是當係統數學模型未知或不確定時（shí），都能產（chǎn）生令人滿意的效果。模糊邏輯控製器框（kuàng）圖（tú）如圖1所示。
　　模糊邏輯控製策略分5個步驟來實現：
  　1）輸人（rén）控（kòng）製變（biàn）量（文字控製變量）；
　　2）通過適當的模糊從屬函數將文字控（kòng）製變量模（mó）糊化；
　　3）通過基（jī）於規則的判定矩陣決定控製策略（試探規則）；
　　4）通過設置（zhì）模糊的（de）集合形式將輸出的控製（zhì）變量非模糊化（huà）；
　　5）反饋輸出信號，通過適（shì）當的調節器來（lái）控製風力發電機組運行。
　　模糊邏輯（jí）控製器的參數
　　簡化的模糊邏輯控製器包括4個主要部分：
　　1）輸入接口；
　　2）判定規則矩陣；
　　3）推（tuī）理引擎；
　　4）輸出接（jiē）口。
　　⑴控（kòng）製變量。模（mó）糊邏輯控製器用非線性圖形來描述從輸入變量到輸出變（biàn）量的過程。控製器根據（jù）測量值（zhí）來確定風力發電機組運行條件，並根據判定（dìng）規則矩陣選擇適當的動（dòng）作（zuò）。根據係統狀態，控製器在‘‘不動作（zuò）”和“全動作”的範圍內，以極度非線（xiàn）性的方式抑製波動。控製器並不含動態部件，因此，它（tā）在理論（lùn）上可以即時根據判（pàn）定規則矩陣進行校正控製。
　　⑵從屬函數。如果x為一個目標集合，則模糊集合A在x中是一組順序數對A={（x，μA（x）），x在X中且μA（x）為從x到[0，1]區間的映（yìng）射}，式（shì）中，μA（x）被稱作是A中x的模糊從屬函數。定義模糊（hú）從屬函數時，代表模（mó）糊邏輯控製器文字變量的輸入控製變量，必須分成幾個部分。為給每一文字變量（liàng）挑選屬性號，必須考慮到模糊邏輯控製器（qì）將根據4個（gè）輸入變量和它們的時間導數來決定係（xì）統特性（xìng）趨勢。當4個（gè）輸入變量維持在平衡（héng）點或在預先確定（dìng）的範（fàn）圍之內（nèi）時，可以通過適當的從屬函數來設計模糊（hú）邏輯控製器。為了滿足良好的設（shè）計要求，我們為輸入文字變量、它們的導數和模糊修（xiū）正（zhèng）定義（yì）了5個模糊集合。
　　⑶判定規則矩陣。一般說來，可以為（wéi）每（měi）一個輸入變量定義共5×5=25個規則（zé）。但是，模糊邏輯（jí）控製器的應用經（jīng）驗說明，往往（wǎng）隻需利用其中的幾個規則（zé），係統（tǒng）性能就可以得到很好的控製（zhì）。判定規則以IF（A） AND（B） THEN（c）的形（xíng）式進行公式化，其中，A、B是兩個前提，而（ér）c是結果。
　　⑷輸出控製變（biàn）量。模糊輸出控製變量的確定實際上（shàng）是一個非模糊化過程，將模糊修正集合轉化為輸（shū）入控（kòng）製變量預定（dìng）義運行範圍內的真實值（zhí）。
　　2 模糊轉速控製器的設計
　　2.1 模糊邏輯控製器設計
　　為了取（qǔ）得在額定風速以下運行時的最大功率。在風力發電機組的變速恒頻運行中，采用了（le）3個模糊控製器：模糊控製器A用於跟蹤不同風（fēng）速下發電機的最佳轉速從而優化風力機的氣動性能；模糊控製器B在低負載時調節發電機轉子氣隙磁通，從而優化發電機的效率；模（mó）糊控製器C抵抗幹擾（rǎo），保證轉速控製係（xì）統的魯棒性。
　　2.2 仿真與模擬研究
　　根（gēn）據上述控製方案，用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真研究。MAT[AB/SIMULINK的Power system元件庫內有很多包括發電機存內的電氣器件模型，但沒有風力機模型。根據風力機特性和（hé）參數（shù），可以建立風力機的模型。
　　由於模糊隸（lì）屬函數與模糊控（kòng）製規則的建立包含很（hěn）多經驗因素，初步（bù）的選擇（zé）可（kě）能並不能達（dá）到比較好的效果，因此在仿真過程中可以根據仿真結果對它們進行修改，以達到理想的結果。
　　采用模糊控製技術的（de）優點是明顯的（de），在它進行實時搜（sōu）索的過程中不（bú）需要風速信號，而且也不在（zài）乎係統參（cān）數的變化，對於噪聲和擾動於（yú）擾的也不敏感。對於風力發電機組這樣的非線性時變係統（tǒng）是一種理想的控製方案（àn）。
　　2.3 模擬研究
　　為（wéi）了評估模糊邏輯控製（zhì）器（qì）的性能，將上述控製器用於實際運行的（de）風力發電機組。
　　分析模擬結果可以看出，模糊邏輯控製器表現了良好的動態特性。控製策略的主要目標是設計一種對運行條件（jiàn）變化不太敏感的控製方案（àn），而使用模糊控製，無論是在低速、常速還是高速條（tiáo）件下，都可（kě）以觀測（cè）到同樣的動態特性。特別是在較高風況下，模糊邏輯控製器可以有效抑製（zhì）係統的擾動，兼顧（gù）最大功（gōng）率係數（shù）和良好的發電質量。
　　3 采用（yòng）智能控製（zhì）的風力發電機（jī）組模型
　　係統由一水平軸、可變（biàn）槳距風輪，通過（guò）增速器與（yǔ）同步發電機（jī）連接構成（chéng）。發電機與電網連接采用交-直-交變流器。在這個設計（jì）中采用了兩個控製環：
　　（1）內部勵磁環，低於額定風速（sù）時它通過發電機（jī）勵（lì）磁（cí）電流控製電壓和轉矩。
　　（2）外部風輪環，在風速（sù）高於（yú）額定風（fēng）速時控製最大功率。
　　風力發電機組從控製係統角度來看可分為3個子係（xì）統：風輪氣動特性、傳動係統動態特性和發電機整流器模型。
　　3.1 風輪氣動特性
　　在（zài）係統中，我們假定可變距（jù）的槳葉（yè）是剛性的。這樣氣動特性可以用一個以平均風速為輸入量的簡化（huà）模型來表達。
　　風輪（lún）吸收的功率為
　　當風速超（chāo）過額定風速時，應調節槳距（jù）角p來限製輸入功率。槳葉角度由一個機電（diàn）調節器控製，該調節器的一階模型由下式表示： 式中τβ――調節器的時間常數；βτ――節距角參考輸人。
　　係統的輸入量為風速ν、槳葉節距角（jiǎo）β和風輪轉（zhuǎn）速ω，輸出量娃風輪轉矩Tr。
　　3.2 傳動係統動態特性（xìng）
　　根據風輪氣動特性產生（shēng）的轉（zhuǎn）矩Tr，作用於帶有慣性（xìng）矩Jr的風輪上。風輪通過增速比為n的增速（sù）器連接到帶有慣性矩Jg的發電機上，發電機將產生――反轉矩Te。
　　3.3 發電機――整流器模型
　　係統中發電機（jī）采用（yòng）三相同步發電機，有（yǒu）一（yī）勵磁繞組和二個阻尼繞組。整流器是一三相晶閘管整流橋，它將同步發電機產生的恒壓變頻（pín）的交流電轉換為直流電（diàn）。傳輸線路上有電阻尺和電感（gǎn），在直（zhí）流傳輸（shū）線路上有電阻和電感。假設逆變器是理想的，這樣整流器的輸出直（zhí）流電功率全部被轉化（huà）為高質量的三相交流電（diàn）功率。由於這一（yī）假設不需要逆變器模擬。
以上由發電機（jī）組租賃為您提（tí）供。
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