基于神经网络PID的变速变桨距控制设计

陈光宇

（秦皇岛职业技术学院 机电工程系，秦皇岛 066100）

0 引言

风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认可。风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量和接入电网产生影响，对小电网甚至会影响其稳定性。风电机组的功率控制方式目前一般分为四类：定速失速调节、定速变桨距调节、变速失速调节和变速变桨距调节[1]。

传统的最佳叶尖速比控制和桨距角控制采用线性控制方法，基于线性化模型，采用风速和转速测量值进行反馈控制[2]。相对于定桨距的失速型风机,变桨距风机具有在额定功率点以上输出功率平稳恒定的优点[3]。变速变桨距调节在风速低于额定风速时，采用的是变速控制，此时风能效率高于采用失速控制风电机组的风能效率，具有优化的气动特性；在风速高于额定风速时，采用得还是变桨距控制方式，采用改变桨距控制，通过桨距角的改变，从而改变作用在风轮上的气动扭矩，使功率保持在恒定值。

1 变速控制原理

不同风速下风力机输出机械功率随风轮转速变化而变化，每一种风速下都存在一个最大输出功率点，对应于最大的风能转换系数Cpmax。将各个风速下的最大输出功率点连接起来，就可以得到风力机输出机械功率的最佳曲线Popt。要使风力机运行在这条曲线上，必须在风速变化时及时调节转速，以保持最佳叶尖速比，风力机将会获得最大风能捕获，有最大机械功率输出[4]。

图1 控制策略原理图

如图1所示，假设原来在风速v2下风力机稳定运行在最优功率曲线Popt的B点，对应着该风速下的最优转速ω2和最优的机械功率P2，此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时刻风速突然升高至v3，风力机马上就会由B点跳至v3风速下功率曲线上的D点运行，其输出机械功率由P2突变至P3。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机仍然运行在B点，此时发电机输入的机械功率大于发电机系统输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着v3风速下功率曲线的DC轨迹和最优功率曲线的BC轨迹运行。当分别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点C时，功率将重新达到平衡。此时，转速稳定在对应于风速v3下的最优转速ω3，风力机输出最优的机械功率P3。同理，也可以分析风速从高到低变化时，最大风能捕获过程和转速的调节过程。

2 变速变桨距控制

在风速低于额定风速这段工作范围，设计成采用变速控制。采取对电机进行变速控制达到功率的最大吸收，电机扭矩根据公式(1)计算，计算结果如表1所示。

表1 风力机电机转速与扭矩关系

当风速高于额定风速时，对风力发电机进行变桨距控制，按照所需要的功率系数值确定所需要的变桨角度，以保证功率的稳定。根据变浆距角随风速的变化规律[5]建立仿真模型，如图2所示，仿真计算结果如图3所示。

图2 变桨控制仿真模型

图3 桨距角随风速变化曲线图

3 PID控制

由于风力发电机组一般组装在环境比较恶劣的无人区，所以对风电机组的变桨距系统的控制采用智能控制。电机扭矩和变桨机构的控制均采用智能PID控制，即通过神经网络PID控制器，实现变桨系统自适应的智能控制，如图4。对神经网络PID控制器的设计主要从以下两个部分着手：

1）经典的PID控制器，它直接对被控对象过程闭环控制，并且3个参数kp、ki、kd为在线整定式；

2）神经网络根据系统的运行状态，对调节PID控制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化，即使输出层神经元的输出状态对于PID控制器3个可调参数kp、ki、kd，通过神经网络的自身学习，加权系数调整，从而使其稳定状态对应于某种最优控制率下的PID控制参数。

图4 变桨变速系统人工智能控制图

4 仿真结果分析

对控制系统改良设计后，由于变速失速控制和定速变桨距控制同采用了变速控制或者是变桨距控制，研究了变速变桨距控制策略，也就相当于研究了这两种控制策略。采用本文建立的分析模型，计算了目前常用四种控制策略的计算结果，结果如图5所示。

图5 变速变浆距控制风力发电机性能分析

从图5可以看出，风速到达额定风速之前，变速控制对风能的吸收利用最好，在这一阶段，变速变桨控制和变速失速控制的发电功率差不多；当风速大于额定风速时，变桨距控制对风电机组功率的稳定起到了重要重用，此时变速变桨距控制和定速变桨距控制都能使功率稳定在额定功率上。从总的发电效果来说，采用变速变桨距控制策略的风电机组发电品质要好于其它三种控制方式。

5 结论

经过对计算结果的分析，我们可得出如下结论，采用神经网络PID控制的变速变桨距控制系统有以下优点：

1）在风速从切入风速到额定风速时，采用变速控制策略的风电机组对风能的利用比定速控制风电机组对风能的利用率高。

2）在风速从额定风速到切出风速时，相对失速控制风电机组，采用变桨距控制风电机组的功率恒定，发电品质较好。

综上所述，采用变速变桨距控制的风电机组的发电品质相对采用其它几种控制策略的风电机组发电品质更高、更好。

[1] Eduard M uljadi, Butterfield C P.P itch2cont rolled variable 2speedwind turbine generation.IEEE Trans on IA ,2001,1(37):240-246.

[2] A.D.Diop,C.Nichita,J.J.Belhache,B.Dakyo,and E.Ceanga,＂Modeling of a variable pitch HAWT characteristics for a real-time wind turbine simulator,＂Wind Eng.,vol.23,no.4,p p.225–243,1999.

[3] Bose B K,王聪,等译.现代电力电子学与交流传动[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 林勇刚,李伟,等.变速恒频风力机组变桨距控制系统[J].杭州:农业机械学报,2005.

[5] 耿华,周宏林,等.变速变桨距风力发电系统的逆系统控制器性能评估[J].电力电子,2008.2:45-49.