戴 月,李世明,林玥廷,曾凱文,龍建平

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510600;2.湖南大唐先一科技有限公司,湖南 長沙 410007)

0 引言

目前,保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量變得越來越重要,同步發(fā)電機(jī)勵磁控制是電網(wǎng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),其運行的好壞將直接關(guān)系到電網(wǎng)電壓波動、無功功率分布和抗干擾性等。另外,它還可以對勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行額外的控制,以有效地抑制磁同步振蕩,從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。但在實際操作中,需要保證發(fā)電機(jī)的勵磁性能,為此,較多學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制方法展開了研究。其中,楊琦等[1]研究了基于模糊控制虛擬電阻的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越勵磁控制方法,通過將模糊控制技術(shù)引入到常規(guī)的虛擬電阻中,實現(xiàn)了在失效過程中跟蹤系統(tǒng)動態(tài)變化的模糊控制,并在不超過容許范圍的情況下,實現(xiàn)控制;蘇顯賀[2]研究了新型直驅(qū)交流勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略,該策略重點對電網(wǎng)電壓定向矢量控制,調(diào)節(jié)直流母線的電壓以及功率因數(shù),并對磁鏈方向進(jìn)行了控制,實現(xiàn)勵磁電流的控制。

上述方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)勵磁控制,但是由于進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制的過程中沒有考慮發(fā)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)變化以及非主要電路的控制作用,導(dǎo)致控制后的電壓、電流和輸出功率均不穩(wěn)定。而模糊免疫 PID基本思想是:通過量化因子將控制器輸入的輸入量投影到 Fuzzy論域中,獲得模糊量,然后根據(jù)所設(shè)置的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊操作,最終通過比例因子解模糊,從而獲得更好的控制效果。為此,本文提出基于模糊免疫自適應(yīng)PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制方法,解決當(dāng)前存在的問題。

1 勵磁系統(tǒng)建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著非常重要的作用,為有效控制,建立基于勵磁控制系統(tǒng)中各項參數(shù)的模型[3]。為了簡化計算,對實際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)作必要的假定:

a.忽略磁飽和因素和渦流引起的損失,把電動機(jī)磁體的磁導(dǎo)系數(shù)記為1個常量。

b.假定發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)在空間上是完全對稱的。

c.在發(fā)動機(jī)內(nèi)部,空氣間隙的磁場是均勻[4]的。

d.忽略交流勵磁系統(tǒng)的減振性能。

e.考慮非可控整流器的換相過程。

f.交流勵磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的。

g.考慮勵磁系統(tǒng)的飽和作用。

h.交流勵磁電機(jī)的定子壓降未被計算在內(nèi)。

i.不考慮由整流器本身引起的壓力損失。

基于以上假設(shè),建立無刷勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,主要內(nèi)容如下:

a.風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型,在電力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,并且內(nèi)部有機(jī)械運動部件,所以其傳遞函數(shù)較為復(fù)雜[5]。為簡便分析,需要對其簡化,簡化后的傳遞公式為

(1)

b.電壓測量與比較單元的數(shù)學(xué)模型[6],電壓測量單元能夠?qū)l(fā)電機(jī)的輸出電壓變?yōu)檎鹊闹绷麟妷?將一階滯后環(huán)節(jié)表示為

(2)

UG為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端電壓值;Udc為比較單元輸出的參數(shù)向量;KR為電壓的增益值;TR為測量電路的時間常數(shù);s為輸入量。

c.移動觸發(fā)與功率單元的數(shù)學(xué)模型,移動觸發(fā)單元由觸發(fā)器、放大電路等組成[7],同時整流電路供電的交流電之間存在一定延遲,將延遲的公式表示為

(3)

f為交流電源頻率;m為電路相數(shù)。

將輸電線路總的傳遞函數(shù)[8]表示為

(4)

KZ為第Z個指標(biāo)的放大增益量;TZ為第Z個功率模塊的輸出參數(shù)。

上述計算沒有考慮發(fā)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)變化以及非主要電路的控制作用,因此,將風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單輸入與單輸出的系統(tǒng),并得到傳遞函數(shù),方便后續(xù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制。

2 模糊免疫 PID 勵磁控制器設(shè)計

模糊免疫自適應(yīng)PID的原理是:人體免疫系統(tǒng)在遇到外來入侵的時候,會生成對抗機(jī)制,即抗體,在對抗后會與抗原結(jié)合,從而發(fā)生一系列的反應(yīng),破壞抗原[9]。因此,本文采用免疫PID算法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制。首先,根據(jù)免疫反饋理論設(shè)計了PID控制器,該控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊免疫自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)

將免疫反饋控制[10]公式表示為

s(k)=(k1-k2f(Δs(k)))ε(k)

(5)

k、k1、k2分別為控制結(jié)構(gòu)中的非線性函數(shù)、激勵函數(shù)以及抑制函數(shù);f為抑制參數(shù);Δs為抗原數(shù)量;ε為刺激后輸出的細(xì)胞參數(shù)。

免疫的作用就是在保持免疫系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時,對外來的抗原作出反應(yīng),這是因為抗原會對機(jī)體造成傷害,也有可能是因為抗體濃度太高,會對機(jī)體造成傷害,所以必須要控制住[11]。而免疫系統(tǒng)的總體目標(biāo)是盡可能地減少機(jī)體所遭受的整體損傷,以確保在動態(tài)調(diào)整過程中能迅速地消除這些誤差[12]?；谏鲜龇治?將公式表示為

u(k)=K(1-ηf(u(k),Δu(k)))e(k)

(6)

η為超調(diào)量;u(k)、e(k)分別為抑制細(xì)胞的抑制量。

從以上程序可以看到,模糊免疫系統(tǒng)是一種非線性控制器,其中涉及的比例系數(shù)會隨著控制器的輸出而發(fā)生變化,具有很好的適應(yīng)性,而模糊免疫控制器無法對其進(jìn)行有效的補(bǔ)償,且由于非線性干擾造成的控制誤差無法得到及時的修正[13],為此需要對參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,過程如下所示:

b.定義控制器的適應(yīng)度函數(shù)[14],將其表示為

(7)

e(t)為第t個實數(shù)的調(diào)制參數(shù);t為計算時間。

其中Q=I4，R=0.6?？刂坡扇闋顟B(tài)反饋τ2=Kx，控制增益為K=-BTR-1P，其中P是下列Ricatti方程的解。

c.根據(jù)預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)對個體微粒的適配度函數(shù)進(jìn)行評估。

d.對每個微粒尋找歷史最好的位置,計算每個粒子的適應(yīng)度函數(shù)均值,不斷更新位置,表示為

(8)

e.對當(dāng)前條件判斷,如果達(dá)到停止條件,則保留當(dāng)前信息,返回當(dāng)前適應(yīng)度值。

f.通過上述迭代后,粒子群算法會逐漸收斂到最優(yōu)解,作為伸縮因子的最優(yōu)參數(shù)。

基于上述過程對PID控制參數(shù)優(yōu)化[15],實時調(diào)節(jié)控制器,免疫 PID控制器的輸出表示為

u(k)=u(k-1)+

KP1(e(k)-e(k-1))+e(k-2))

(9)

KP1為比例系數(shù)。

將自調(diào)整參數(shù)表示為

(10)

基于上述過程對參數(shù)優(yōu)化,控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁,風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制流程

在實際應(yīng)用中,通過調(diào)整比例因子,可以獲得更好的動態(tài)和靜態(tài)特性,增強(qiáng)了控制器的自適應(yīng)能力。

3 實驗對比

3.1 實驗參數(shù)

為驗證本文提出的基于模糊免疫自適應(yīng)PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制方法在實際應(yīng)用中的效果,選取某地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為實驗對象,如圖3所示,進(jìn)行仿真實驗分析。

圖3 實驗對象

實驗選取的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)表

在實驗過程中,采用取樣電路對發(fā)電機(jī)的電壓、電流等進(jìn)行取樣、調(diào)理,并將其進(jìn)行相應(yīng)的運算,最后由DSP進(jìn)行處理。接著,DSP把所取樣的信號與所述給定的信號進(jìn)行比較,獲得數(shù)據(jù),并為了保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性,將文獻(xiàn)[1]提出的基于模糊控制的方法、文獻(xiàn)[2]提出的新型直驅(qū)交流勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法與本文提出的基于模糊免疫自適應(yīng)PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制方法進(jìn)行對比,比較3種方法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制效果。

3.2 實驗結(jié)果分析

預(yù)先對比發(fā)電機(jī)輸出電壓,結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)輸出電壓

由表2可知,本文方法的發(fā)電機(jī)輸出電壓能夠達(dá)到輸出電壓恒定,符合并網(wǎng)的要求,較另外2種方法控制后效果好。

不同風(fēng)速下勵磁電壓變化情況,結(jié)果如表3所示。

表3 勵磁電壓變化情況對比

由表3可知,本文方法進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制后,隨著風(fēng)速增大電壓逐漸減小,并且較為穩(wěn)定,說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制效果較好。另外2種方法雖然隨著風(fēng)速的變化而變化,但在風(fēng)速增加后,電壓變化情況不是很穩(wěn)定。

接下來對比不同風(fēng)速下,本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的勵磁電流變化情況,對比結(jié)果如表4所示。

表4 勵磁電流變化情況對比

由表4可知,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到運行的最大風(fēng)速區(qū)域時,本文方法控制后的勵磁電流基本恒定,而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法控制后,電流變化幅度較大,穩(wěn)定性較差,說明控制效果沒有本文方法的控制效果好。

接下來對比在外界風(fēng)速一直處于額定風(fēng)速時,本文方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率控制情況,3種方法的對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)輸出功率曲線

由圖4可知,在外界風(fēng)速恒定的情況下,本文方法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率控制調(diào)節(jié)作用較好,輸出的功率基本恒定,能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)能的最大利用,使整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定有效運行在有效風(fēng)速情況下。而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率控制效果不是很理想,穩(wěn)定性不是很好,具有較大的波動情況。

4 結(jié)束語

基于上述過程完成基于模糊免疫自適應(yīng)PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制方法的研究,采用此方法對勵磁系統(tǒng)調(diào)整,可以提高機(jī)組的風(fēng)能利用率,使發(fā)電機(jī)的輸出電壓處于一個穩(wěn)定的狀態(tài),從而保證其在最優(yōu)的功率曲線以內(nèi),滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)需求。勵磁技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用尚處在起步階段,本文在完成了一些工作的同時,也存在著一些問題,針對風(fēng)電機(jī)組的無刷勵磁系統(tǒng),采用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法,目前尚處于模擬研究階段,需深入探討。