大型风电机组模糊滑模鲁棒控制器设计_

大型风电机组模糊滑模鲁棒控制器设计
摘要：目前大型风力发电机组(功率在1 MW以上)普遍采用变速?变桨距控制机构，其主要目的是提高风机的响应速度，同时获得最大功率。但是由于风速和风向是时刻变化的，所以风机发出的功率也是时刻变化的。另外，由于一些不确定因素的存在，整个风能转换系统具有很强的非线性。模糊控制无需精确的数学模型，滑模控制能提高系统的鲁棒性和稳定性。该文设计了一种基于模糊滑模控制理论的控制器，同时使用仿真软件建立了1.5 MW变速?变桨距风机仿真模型。仿真结果表明，模糊滑模控制器可使风机系统减小静态误差，弥补非线性带来的影响，且具有很好的鲁棒性。
关键词：风机；变速?变桨距机构；模糊控制；滑模控制；仿真
0引言
目前，风电领域的研究热点集中在风机大型化、近海风机、风机运行控制策略和优化等方面。风力机变速?变桨距调节方式是风能收集和转换的两种主要功率调节方式，也是当前国内外风力发电机组研究的热点[1-8]。在风速低于额定风速的情况下，主要采用变速调节方式，即通过调节发电机转子转速，获得最大风能转换功率；当风速大于额定风速时，采用变桨距调节方式，即通过调节桨距角，使发电机输出功率基本上等于额定功率。变桨距风力发电机的额定风速较低，在风速超过其额定风速时发电机组的出力也不会下降，始终保持在接近理想水平，提高了发电效率。同时，变桨距风力发电机的叶片较薄，结构简单、重量轻，使发电机转动惯量小，易于制造大型发电机组。因此，大型风力发电机组普遍采用变速?变桨距技术[9-10]。
对于兆瓦级的风力发电机组，变速?变桨距机构的设计要满足驱动力大、有足够的强度和精度等要求。液压控制系统刚度大，输出位移量受负载影响小，定位准确，液压执行机构响应快，系统频带宽，因此选用液压系统作为变桨距的动力系统。但是，液压系统存在死区、滞环、库伦摩擦，还有一些软参量，如体积弹性模量、油的粘度、系统阻尼比等，有非线性特征[11-12]。同时，由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，所以风力机是一个复杂多变量的非线性不确定系统。因此，采用可靠的控制技术是机组安全高效运行的关键。针对风力机具有的这一特性，采用模糊滑模控制，可以充分利用其非线性、变结构、自寻优等功能，克服风电系统的参数时变与非线性因素。因此，模糊滑模控制非常适合于兆瓦级风力机的控制。
模糊控制做了详细阐述，滑模控制做了较详细阐述，但都没有把二者结合起来给出进一步的数学模型和仿真结果。本文把模糊控制策略和滑模变结构控制策略结合起来，应用到风电机组控制器的设计当中。另外，选择不同坐标系和不同定向矢量所得到的发电机模型是不同的。为此，本文建立了一个更加简洁、有效的双馈异步风力发电机模型，结合模糊滑模控制设计得到了整个风力发电机变速?变桨距控制系统数学模型，并应用Matlab/Simulink软件完成了对整个风电机组的仿真分析。
1风力机特性
变速－变桨距风力发电机组结构原理如图1所示，主要由风轮、齿轮箱、发电机、变桨距调节机构、电网、控制器、变换器7个部分构成。
2双馈异步风力发电机模型的建立目前，MW级风力发电机组多数采用双馈异步风力发电机，双馈异步风力发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量系统，要想对MW级风力机实现精确控制，就必须对双馈异步风力发电机建立一个比较精确的模型。本文提出采用dq0同步旋转坐标系统定子q轴磁场定向，可以简化发电机电磁转矩表达式，且容易实现。
3模糊滑模控制策略
3.1模糊滑模控制器
模糊控制最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数学模型，能克服非线性因素影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性。但是模糊控制器参数需经过反复试凑才能确定，缺少稳定性分析和综合方法。滑模变结构控制是一种非线性鲁棒控制方法，它主要用于处理建模的不精确性。滑模变结构控制系统即使模型不精确，也能良好的维持系统的稳定性和鲁棒性。但是实际的变结构控制系统由于切换开关非理想等因素影响，使滑动模态产生高频抖振，这就是变结构系统中的“抖振”问题。模糊控制和滑模控制各有优缺点，二者结合就构成模糊滑模控制器。
本文根据风速大小设计了2个模糊滑模控制器：风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用模糊滑模变速控制器，目的是获得一个最佳风能系数，从而最终获得最大风能；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用模糊滑模变桨距控制器，通过液压执行机构调节桨距角，使发电机输出功率基本保持不便，恒等于额定功率。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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