陳廣華，張 健，張坤婷，李夢(mèng)凡

(1. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，北京 100190)

大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對(duì)地理位置和環(huán)境的要求極高，造成了嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象，相較而言中小型獨(dú)立風(fēng)

電機(jī)組因其具有較好的靈活性、方便單獨(dú)安裝等特點(diǎn)，可以增強(qiáng)風(fēng)能利用率，有很大發(fā)展前景[1].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，大型風(fēng)電場(chǎng)的使用會(huì)嚴(yán)重影響氣候變化，使得氣溫等環(huán)境因素發(fā)生巨大變化[2-3].通過(guò)美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)研究可預(yù)測(cè)，到2020年中小型風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量將會(huì)占美國(guó)電力消耗的3%[4].由此可見(jiàn)，中小型風(fēng)電機(jī)組有很大的發(fā)展?jié)摿?為了更好地控制風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電穩(wěn)定性與可靠性，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制方法進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[5]研究了機(jī)械折尾翼裝置的控制，但是隨著風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的提升，調(diào)節(jié)效果明顯下降.文獻(xiàn)[6]研究實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤控制的方法，適用于額定轉(zhuǎn)速以下的低風(fēng)速控制.文獻(xiàn)[5-6]所研究的控制方法多用于低風(fēng)速、定槳距風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)風(fēng)機(jī)能穩(wěn)定工作的額定風(fēng)速時(shí)，不能起到很好的控制作用，會(huì)使機(jī)構(gòu)由于過(guò)載而發(fā)生飛車等事故.為了使風(fēng)電機(jī)組在高風(fēng)速時(shí)有更好的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)槳距角可變的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制變得至關(guān)重要.文獻(xiàn)[7]通過(guò)控制器調(diào)節(jié)液壓桿的位置來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)機(jī)槳葉，實(shí)現(xiàn)了變槳距調(diào)節(jié).文獻(xiàn)[8]建立了風(fēng)電機(jī)組模型，設(shè)計(jì)了PI控制器并選用適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，實(shí)現(xiàn)了高風(fēng)速狀況下輸出功率的穩(wěn)定控制.文獻(xiàn)[9-11]研究了變槳距PID控制器，以槳距角差值為輸入，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制.通過(guò)分析可知國(guó)內(nèi)外對(duì)于變槳距控制器的研究集中于經(jīng)典PID控制器，對(duì)于非線性、多變的風(fēng)速狀況時(shí)，該控制器的控制效果具有一定局限性，不能及時(shí)準(zhǔn)確地作出響應(yīng).

針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者提出利用模糊PID變槳距控制的方法實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速狀況下風(fēng)電機(jī)組輸出的穩(wěn)定控制，充分利用模糊PID控制器在線調(diào)整參數(shù)的特點(diǎn)，對(duì)多變的風(fēng)速狀況有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制效果.

1 獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)變槳距控制原理

1.1 變槳距控制理論依據(jù)

在獨(dú)立風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)中，以步進(jìn)電機(jī)作為調(diào)整葉片槳距角的執(zhí)行機(jī)構(gòu).如圖1所示為獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中變槳距控制裝置位于風(fēng)機(jī)葉片根部，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)控制與葉片連接的轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)槳距角β的調(diào)節(jié).

圖1 獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Independent wind power generation system

在變槳距控制系統(tǒng)中，風(fēng)能利用系數(shù)Cp是風(fēng)電機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度，表示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率[12].Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，即Cp=f(λ,β)，如圖2所示為變槳距風(fēng)電機(jī)組Cp與λ、β的關(guān)系曲線，由此可間接得到槳距角與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為變槳距控制器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).由圖2可知：λ一定時(shí)，隨著β增大Cp減小，即減少了風(fēng)能的獲取量.據(jù)此，在高風(fēng)速狀況下，調(diào)節(jié)β大小，改變風(fēng)能的獲取量，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)輸出穩(wěn)定在額定功率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電[13-14].

圖2Cp=f(λ,β)關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of Cp=f(λ,β)

1.2 變槳距控制策略

中小型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而改變輪轂上槳葉槳距角大小的過(guò)程.基于步進(jìn)電機(jī)的變槳距調(diào)節(jié)控制原理，見(jiàn)圖3.

圖3 步進(jìn)電機(jī)變槳距調(diào)節(jié)原理Fig.3 Schematic diagram of stepper motor’s pitch adjustment

圖3中槳距角控制器的輸入為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，輸出為槳距角，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)后，通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步精確控制變槳距步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行.變槳距步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整槳距角的大小，改變風(fēng)能獲取量，進(jìn)而限制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，防止風(fēng)速過(guò)大時(shí)風(fēng)電機(jī)組過(guò)載.

2 變槳距控制算法研究與仿真

風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，存在自然風(fēng)隨機(jī)性大的問(wèn)題，造成整個(gè)系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性，針對(duì)這種狀況，變槳距控制采用模糊PID控制的方法，該方法具有的優(yōu)勢(shì)為：抗干擾性強(qiáng)，對(duì)于環(huán)境具有不確定性、隨機(jī)性的問(wèn)題有很大的適用性；容錯(cuò)能力較強(qiáng)，能夠適應(yīng)環(huán)境特征變化等狀況[15].為確定模糊PID解決該變槳距問(wèn)題品質(zhì)的高低，在仿真分析時(shí)與經(jīng)典PID控制進(jìn)行比較.

如表1所示為整個(gè)經(jīng)典PID和模糊PID控制器設(shè)計(jì)及仿真所需的風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置.

表1 風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 經(jīng)典PID變槳距控制器設(shè)計(jì)

依據(jù)高風(fēng)速狀況下風(fēng)電機(jī)組工作狀況，設(shè)計(jì)經(jīng)典PID變槳距控制系統(tǒng)，如圖4所示為PID變槳距控制器系統(tǒng)框圖.

圖4 PID變槳距控制器系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of PID pitch controller

圖4中，Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，PID控制器的輸入e為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速ωref和實(shí)際轉(zhuǎn)速ω的差值，輸出為調(diào)整后的槳距角β(t)，采樣時(shí)間為0.1 s.在PID控制器的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行整定，選用臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)整定,得到的整定結(jié)果為：Kp為0.3、Ki為0.5、Kd為0.01，整個(gè)控制器在進(jìn)行控制過(guò)程中加入死區(qū)寬度，當(dāng)輸入誤差小于0.6 rad/s時(shí)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣阻止了槳距角變化頻繁給系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)大的負(fù)擔(dān).

2.2 模糊PID變槳距控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)機(jī)工作狀況以及現(xiàn)場(chǎng)供電要求，按照變槳距的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)了專用的模糊PID變槳距控制器，PID的參數(shù)通過(guò)自動(dòng)整定使得控制器在調(diào)節(jié)過(guò)程中有更好的適應(yīng)性.如圖5所示為模糊PID變槳距控制流程圖.

圖5 模糊PID變槳距控制流程圖Fig.5 Flow chart of fuzzy PID pitch control

由圖5可知，整個(gè)變槳距控制過(guò)程中要想實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定，關(guān)鍵為模糊推理器的設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際的工作狀況，設(shè)計(jì)的模糊推理器結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 模糊推理器結(jié)構(gòu)Fig.6 Fuzzy controller structure

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了該雙輸入3輸出的推理器，由圖6可知，模糊推理器的兩個(gè)輸入為轉(zhuǎn)速偏差e和偏差變化率ec，多輸入的控制器使得制定的模糊規(guī)則更加精確，將兩個(gè)輸入分別進(jìn)行模糊化處理后用模糊子集E和EC表示；經(jīng)過(guò)處理后，模糊推理器的輸出為ΔKp、ΔKi、ΔKd，解模糊化后對(duì)PID的控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行精確計(jì)算，這樣就完成了對(duì)PID控制參數(shù)的整定.整個(gè)模糊PID變槳距控制器設(shè)計(jì)過(guò)程的3個(gè)核心步驟為

1)模糊論域的選擇.

對(duì)于輸入輸出變量需要確定其模糊論域，以額定風(fēng)速為7 m/s的風(fēng)速模型為例，通過(guò)測(cè)試分析可確定輸入變量的基本論域：角速度偏差為[-30 30]rad/s，偏差變化率為[-600 600]；根據(jù)參數(shù)特點(diǎn)以及仿真結(jié)果選擇ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域，采用臨界比例度法整定，初次設(shè)定Kp為0.3，Ki為0.5，Kd為0.01，之后通過(guò)自整定進(jìn)行調(diào)節(jié)，ΔKp的基本論域?yàn)閇0 0.1]，ΔKi的基本論域?yàn)閇0 0.2]，ΔKd的基本論域?yàn)閇0 0.003].

輸入端e和ec的模糊論域?yàn)椋篣e=Uec={-6,-4,-2,0,2,4,6}，輸入模糊子集語(yǔ)言變量為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，定義為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}.

輸出端ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊論域?yàn)椋篣Δkp=UΔki=UΔkd={0,2,4,6,8,10}，輸出模糊子集語(yǔ)言變量為{零，小，中小，中，中大，大}，定義為{Z,S,MS,M,ML,L}.

2) 隸屬度函數(shù)的確定.

在該變槳距控制器中，為了使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定的工作，需要實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，對(duì)比常用的隸屬度函數(shù)，三角形隸屬度函數(shù)具有計(jì)算簡(jiǎn)單、速度更快的特點(diǎn)，能夠滿足要求，因此控制器的輸入輸出選用該隸屬度函數(shù).根據(jù)論域范圍及合理性，2個(gè)輸入變量都?xì)w為7個(gè)子集,對(duì)應(yīng)的函數(shù)拐點(diǎn)為：[-8 -6 -4]、[-6 -4 -2]、[-4 -2 0]、[-2 0 2]、[0 2 4]、[2 4 6]、[4 6 8].按照相同的原則，將3個(gè)輸出變量劃分為6個(gè)子集，對(duì)應(yīng)的函數(shù)拐點(diǎn)為：[-2 0 2]、[0 2 4]、[2 4 6]、[4 6 8]、[6 8 10]、[8 10 12].

3)模糊規(guī)則的制定.

在實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)控制過(guò)程，要想通過(guò)輸入量的變化確定輸出量，必須制定編寫合理的模糊規(guī)則.在該模糊控制器中，由2個(gè)輸入量e、ec按照一定規(guī)則來(lái)調(diào)節(jié)ΔKp、ΔKi、ΔKd3個(gè)輸出變量的值，進(jìn)而完成對(duì)Kp、Ki、Kd數(shù)值的調(diào)節(jié).要確定模糊規(guī)則，需要依據(jù)控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)Kp、Ki、Kd對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定，如表2所示為ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則.

表2 模糊規(guī)則

3 仿真分析實(shí)驗(yàn)

通過(guò)建立漸變風(fēng)速模型和階躍風(fēng)速模型進(jìn)行經(jīng)典PID和模糊PID變槳距控制器的仿真對(duì)比分析，進(jìn)而驗(yàn)證高風(fēng)速狀況下不同控制方法穩(wěn)定性輸出效果的好壞.

3.1 漸變風(fēng)速模型仿真分析

如圖7所示為建立的漸變風(fēng)速模型.

圖7 漸變風(fēng)速模型Fig.7 Simulation model of gradient wind

通過(guò)建立的漸變風(fēng)速模型，對(duì)經(jīng)典PID與模糊PID變槳距控制器分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)變槳距控制器風(fēng)輪角速度ω的調(diào)節(jié)變化過(guò)程可以比較控制器的調(diào)節(jié)效果.如圖8所示為風(fēng)輪角速度調(diào)節(jié)對(duì)比曲線.

圖8 漸變風(fēng)速時(shí)風(fēng)輪角速度調(diào)節(jié)對(duì)比曲線Fig.8 Contrast curves of wind wheel’sangular speed adjustment at gradient wind speed

整個(gè)漸變風(fēng)速模型中，有5次的加減速變化，因此在控制器作用下，經(jīng)歷了5次的調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)仿真后得到風(fēng)輪角速度的調(diào)節(jié)過(guò)程，在5～82 s時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)速有5次的加減速過(guò)程，且風(fēng)速大小處于額定風(fēng)速之上，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)輪角速度穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速42 rad/s.

如表3所示為經(jīng)典PID和模糊PID兩種控制器調(diào)節(jié)過(guò)程中角速度的最大超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表.通過(guò)仿真分析可知，漸變風(fēng)速模型作用下，在超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，模糊PID和經(jīng)典PID兩種控制算法都能調(diào)整槳距角將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制在額定值42rad/s，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制，但模糊PID控制的最大超調(diào)量比經(jīng)典PID控制下降了4%，調(diào)整時(shí)間下降了0.2 s.

表3 漸變風(fēng)速時(shí)數(shù)值對(duì)比

3.2 階躍風(fēng)速模型仿真分析

如圖9所示為建立的階躍風(fēng)速模型.

圖9 階躍風(fēng)速模型Fig.9 Simulation model of step wind speed

通過(guò)建立的階躍風(fēng)速模型，對(duì)經(jīng)典PID與模糊PID變槳距控制器分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)變槳距控制器風(fēng)輪角速度ω的調(diào)節(jié)變化過(guò)程可以比較控制器的調(diào)節(jié)效果.風(fēng)輪角速度調(diào)節(jié)對(duì)比曲線見(jiàn)圖10.

圖10 階躍風(fēng)速時(shí)風(fēng)輪角速度調(diào)節(jié)對(duì)比曲線Fig.10 Contrast curves of wind wheel’s angular speed adjustment at step wind speed

整個(gè)階躍風(fēng)速模型中，風(fēng)速都大于額定風(fēng)速，因此從開(kāi)始變槳距控制器便會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)作用，在風(fēng)速發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn) ，通過(guò)變槳距控制器調(diào)節(jié)槳距角，使得角速度能夠穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速42 rad/s.統(tǒng)計(jì)兩種控制器在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中風(fēng)輪角速度的最大超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間，如表4所示.

表4 階躍風(fēng)速時(shí)數(shù)值對(duì)比

通過(guò)仿真分析可知，階躍風(fēng)速模型作用下，在超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，模糊PID和經(jīng)典PID兩種控制算法同樣都能調(diào)整槳距角將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制在額定值42 rad/s，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制，但模糊PID控制的最大超調(diào)量比經(jīng)典PID控制下降了4%，調(diào)整時(shí)間下降了0.2 s.

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中，分別以漸變風(fēng)速模型和階躍風(fēng)速模型進(jìn)行控制器調(diào)節(jié)效果對(duì)比，通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程中風(fēng)輪角速度超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)可知：采用模糊PID控制使系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速、振蕩更小，能夠更快速地趨于穩(wěn)定，比經(jīng)典PID控制具有更大的優(yōu)勢(shì).

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

為了測(cè)試模糊PID變槳距控制器的實(shí)際效果，在風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行車載實(shí)驗(yàn)，將整套風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)安裝在汽車上，通過(guò)汽車的行駛速度來(lái)改變風(fēng)速，測(cè)試不同風(fēng)速下變槳距控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果的好壞，在整個(gè)過(guò)程中：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器獲得；風(fēng)電系統(tǒng)的輸出電流由電流傳感器測(cè)得、電壓由電壓傳感器測(cè)得；風(fēng)電機(jī)組的輸出功率由測(cè)得的電流和電壓計(jì)算得到.測(cè)試得到轉(zhuǎn)速以及功率信號(hào)以細(xì)致地分析該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力.

整個(gè)機(jī)組的測(cè)試硬件組裝如圖11所示，車載測(cè)試系統(tǒng)如圖12所示.

圖11 測(cè)試硬件組裝Fig.11 Testing hardware assembly

圖12 車載測(cè)試系統(tǒng)Fig.12 Vehicle test system

車載測(cè)試過(guò)程中，選用的風(fēng)機(jī)槳葉直徑為2 m，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為720 r/min，額定功率為300 W，額定風(fēng)速為8 m/s.測(cè)試過(guò)程中統(tǒng)計(jì)的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表5可知：在高風(fēng)速狀況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速和功率超過(guò)額定值時(shí)，變槳距控制器發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)槳距角，減少風(fēng)能的獲取，使得轉(zhuǎn)速和功率穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)，保證了輸出的穩(wěn)定控制.

5 結(jié)論

高風(fēng)速狀況下，為保證中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了模糊PID變槳距控制器，完成風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)及車載測(cè)試結(jié)果可得：

1)在兩種不同風(fēng)速模型下，對(duì)模糊PID和經(jīng)典PID變槳距控制器進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由仿真結(jié)果可知，模糊PID控制的最大超調(diào)量比經(jīng)典PID控制下降了4%，調(diào)整時(shí)間下降了0.2 s，模糊PID控制使系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速、振蕩更小，能夠更快速地趨于穩(wěn)定，比經(jīng)典PID控制具有更大的優(yōu)勢(shì).

2)通過(guò)車載測(cè)試采集的數(shù)據(jù)分析可知，在整個(gè)變槳距調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和輸出功率穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用要求.