引言
目前，風電領域的研究熱點集中在風機大型化、近海風機、風機運行控制策略和優(yōu)化等方面。風力機變速-變槳距調節(jié)方式是風能收集和轉換的兩種主要功率調節(jié)方式，也是當前國內外風力發(fā)電機組研究的熱點[1-8]。在風速低于額定風速的情況下，主要采用變速調節(jié)方式，即通過調節(jié)發(fā)電機轉子轉速，獲得最大風能轉換功率；當風速大于額定風速時，采用變槳距調節(jié)方式，即通過調節(jié)槳距角，使發(fā)電機輸出功率基本上等于額定功率。變槳距風力發(fā)電機的額定風速較低，在風速超過其額定風速時發(fā)電機組的出力也不會下降，始終保持在接近理想水平，提高了發(fā)電效率。同時，變槳距風力發(fā)電機的葉片較薄，結構簡單、重量輕，使發(fā)電機轉動慣量小，易于制造大型發(fā)電機組。因此，大型風力發(fā)電機組普遍采用變速?變槳距技術[9-10]。
對于兆瓦級的風力發(fā)電機組，變速?變槳距機構的設計要滿足驅動力大、有足夠的強度和精度等要求。液壓控制系統(tǒng)剛度大，輸出位移量受負載影響小，定位準確，液壓執(zhí)行機構響應快，系統(tǒng)頻帶寬，因此選用液壓系統(tǒng)作為變槳距的動力系統(tǒng)。但是，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征[11-12]。同時，由于風能具有能量密度低、隨機性和不穩(wěn)定性等特點，所以風力機是一個復雜多變量的非線性不確定系統(tǒng)。因此，采用可靠的控制技術是機組安全高效運行的關鍵[5-7]。針對風力機具有的這一特性，采用模糊滑�？刂�，可以充分利用其非線性、變結構、自尋優(yōu)等功能，克服風電系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素。因此，模糊滑模控制非常適合于兆瓦級風力機的控制[2-5]。
文獻[1-5、12-13]對模糊控制做了詳細闡述，文獻[14]對滑�？刂谱隽溯^詳細闡述，但都沒有把二者結合起來給出進一步的數(shù)學模型和仿真結果。本文把模糊控制策略和滑模變結構控制策略結合起來，應用到風電機組控制器的設計當中。另外，選擇不同坐標系和不同定向矢量所得到的發(fā)電機模型是不同的。文獻[15-20]都對此做了詳細研究，但是發(fā)電機電磁轉矩表達比較復雜，不利于控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。為此，本文建立了一個更加簡潔、有效的雙饋異步風力發(fā)電機模型，結合模糊滑�？刂圃O計得到了整個風力發(fā)電機變速?變槳距控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并應用Matlab/Simulink軟件完成了對整個風電機組的仿真分析。
1 風力機特性
變速－變槳距風力發(fā)電機組結構原理如圖1所示，主要由風輪、齒輪箱、發(fā)電機、變槳距調節(jié)機構、電網、控制器、變換器7個部分構成。
3 模糊滑模控制策略
3.1 模糊滑模控制器
模糊控制最大特點是將專家的經驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，能克服非線性因素影響，對被調節(jié)對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。但是模糊控制器參數(shù)需經過反復試湊才能確定，缺少穩(wěn)定性分析和綜合方法。
滑模變結構控制是一種非線性魯棒控制方法，它主要用于處理建模的不精確性�；Ｗ兘Y構控制系統(tǒng)即使模型不精確，也能良好的維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。但是實際的變結構控制系統(tǒng)由于切換開關非理想等因素影響，使滑動模態(tài)產生高頻抖振，這就是變結構系統(tǒng)中的“抖振”問題。模糊控制和滑模控制各有優(yōu)缺點，二者結合就構成模糊滑�？刂破�，如圖3所示。
本文根據風速大小設計了2個模糊滑模控制器：風速在切入風速和額定風速之間變化時，采用模糊滑模變速控制器，目的是獲得一個最佳風能系數(shù)，從而最終獲得最大風能；當風速在額定風速和切出風速之間變化時，采用模糊滑模變槳距控制器，通過液壓執(zhí)行機構調節(jié)槳距角，使發(fā)電機輸出功率基本保持不便，恒等于額定功率[1-4]。
5 結論
針對1.5 MW雙饋異步風力發(fā)電機組進行變速－變槳距控制策略分析與仿真研究。雙饋異步風力發(fā)電機采用dq0同步旋轉坐標系統(tǒng)定子q軸磁場定向建模，簡化了發(fā)電機模型，控制研究變得相對簡單。
另外，由于整個風機系統(tǒng)具有嚴重的非線性特征，傳統(tǒng)的控制方法不適合。采用模糊滑�？刂品椒ǚ謩e控制速度和槳距，經過仿真，結果顯示模糊滑�？刂品椒ǖ氖褂每梢钥s短系統(tǒng)的響應時間，彌補由于系統(tǒng)非線性造成的控制不確定性，使整個系統(tǒng)的魯棒性好。
|
