馬曉彤 田濤

（華北電力大學 北京市 102206）

1 引言

隨著近幾十年來風力發(fā)電技術的快速發(fā)展，變速恒頻雙饋式風力發(fā)電機逐步在國內外得到了廣泛應用。隨著風電場單機容量的不斷擴大，風電并網對電力系統(tǒng)的影響也越來越大，因此保證風電輸入電網的電力質量，減少對電網的影響和污染至關重要。雙饋風力發(fā)電機中，網側變流器直接與電網相連，保證交流測單位功率因數運行以及直流母線電壓的穩(wěn)定。因此，網側變流器的控制效果直接決定輸入電能質量的好壞[1]。

Simulink 是 MATLAB 很強大的功能組件，廣泛用于系統(tǒng)建模、仿真和分析。本文以Simulink 為設計平臺，在基于電壓矢量定向的電壓電流雙閉環(huán)PI 控制的基礎上，使用Fuzzy logic designer 工具箱設計構建模糊控制器，對外環(huán)電壓的PI 控制器進行參數優(yōu)化，將優(yōu)化后的控制器應用于網側變流器控制系統(tǒng)中，從而有效提升系統(tǒng)的動態(tài)性能，優(yōu)化網側變流器的控制效果[2]。

2 網側變流器的數學模型及控制原理

網側變流器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，通常采用三相電壓源PWM 變流器的拓撲結構。其中ua、ub、uc為網側三相電網電壓，ia、ib、ic為網側三相電流，R、L 為網側進線電阻和電感，C 為直流母線電容，Udc為直流母線電壓，idc為主電路開關輸出直流電流，iload為負載電流。

為了方便設計控制系統(tǒng)，更好的實施控制策略，需要對PWM變流器時變模型進行坐標變換。在同步旋轉坐標系中變換得到的數學模型：

其中：id、iq分別為交流側電流的d、q 軸分量；ud、uq分別為電網電壓的d、q 軸分量；sd、sq分別為開關狀態(tài)的d、q 軸分量。調節(jié)id、iq就能分別控制網側PWM 變流器吸收的有功功率和無功功率，從而達到有功和無功的解耦目的[3]。

3 模糊控制器

在實際風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于外界條件的變化，如果僅采用PI控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應需求，模糊-PI 控制器是使用誤差信號及其微分作為輸入信號的泛化傳統(tǒng)PI 控制器,因此，模糊PI 中的模糊系統(tǒng)輸出的是給定參數的調整值，所以應該給定一組初始參數，在此基礎上不斷調整再輸入到PI 控制系統(tǒng)中。模糊-PI 控制器的優(yōu)點是它沒有一個特定的操作點。規(guī)則對測得值和設定值之間的差（誤差信號）進行評估。此外，規(guī)則還對誤差信號的趨勢進行評估，以決定增大或減小控制變量。命令變量的絕對值并無影響。較傳統(tǒng)PI 控制器而言，模糊-PI 控制器的另一優(yōu)點是它能實現非線性控制策略以及它使用的是語言規(guī)則。誤差變小時，可根據模糊-PI控制器本身判斷誤差趨勢。因此模糊PI 控制器較傳統(tǒng)的PI 控制器能夠達到更多樣的控制效果[4]。

圖1：網側變流器系統(tǒng)框圖

圖2：模糊控制流程圖

圖3：誤差隸屬函數及相關參數設置

圖4：Kp 的隸屬度函數以及相關參數設置

圖5：模糊控制規(guī)則界面

圖6：Kp 輸入輸出三維顯示圖

圖7：網側變流器控制模型仿真圖

圖8：模糊PI 控制仿真圖

圖9：加模糊控制器前直流環(huán)節(jié)電壓波形圖

模糊控制器主要由三個模塊組成：模糊化，模糊推理，清晰化。模糊控制的流程圖如下圖2所示。

4 仿真模型的搭建

首先打開Simulink 工具中的Fuzzy Logic Designer 工具箱，將電流偏差e 和電流偏差變化率 都進行模糊量化處理，量化后的數據作為模糊控制器的兩個輸入量，然后根據模糊規(guī)則進行模糊推理，并將推理后的模糊值解模糊化后再乘以比例因子轉換為△kp、△ki，將得到的△kp、△ki與原值相加得到新的kp、ki參數。

在模糊化過程中，將精確數值e、△e、△kp、△ki劃分為｛正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（Z）、負?。∟S）、負中（NM）、負大（NB）的模糊子集合｝，隸屬度函數圖形越尖銳，代表輸出對輸入變化反應越靈敏，會加大實際偏差；隸屬度函數圖形越平滑，代表輸出對輸入波動反應越遲鈍，與實際偏差也會越小。因此選取中間五條隸屬函數為三角函數，最左邊為Z 型性函數，最右邊為S型函數。如圖3和圖4所示。

根據實驗以及專家經驗指定的模糊規(guī)則如表1和表2所示。

模糊控制結果如圖5，圖6所示。圖5為模糊控制設計器規(guī)則界面，圖6為輸入輸出的三維顯示。

表1：kp 的模糊規(guī)則表

表2：ki 的模糊規(guī)則表

圖10：加模糊控制器后直流環(huán)節(jié)電壓波形圖

圖11：三相電流波形圖

5 仿真實驗與結果

在Simulink 中搭建網側變流器仿真模型，系統(tǒng)仿真控制模型如圖7所示。其中設置直流電壓的參考值為1100V。

其中控制子系統(tǒng)模糊控制PI 部分模塊如圖8所示。

實驗中加模糊控制器前后直流環(huán)節(jié)母線電壓如圖9和圖10所示，由兩圖對比可看出，雖然二者穩(wěn)定后都基本維持在1100V 左右，無大幅波動，滿足電網要求，但是后者波形在穩(wěn)定前明顯比前者更光滑，說明加了模糊控制器以后對直流電壓的控制效果更好。網側三相電流呈正弦波形，如圖11所示。

6 結論

本文提出了PI 控制的網側變流器新控制方法，即加入了模糊控制器，通過對網側變流器的外環(huán)電壓環(huán)節(jié)的PI 控制器進行參數優(yōu)化，來提高直流電壓的動態(tài)性能。經過仿真實驗驗證，控制效果達到預期，提高了模糊控制器的魯棒性和控制精度。仿真表明對提高直流母線電壓的穩(wěn)定性有比較明顯的效果。但是實驗中也存在問題，即加入模糊控制器后會大大降低仿真速度，收斂速度較于不加模糊控制器的收斂速度明顯變慢，未來還會對如何提高模糊控制器的仿真速度進一步研究。