大型风电机组模糊控制

王湘明　　宾焜 孟竟

【摘 要】文章对液压变桨风力发电系统的结构进行了分析，研究了变桨距机构模型并对其工作特性进行深入分析，在此基础上总结出了液压变桨距传递函数模型。基于常規PID 控制和模糊控制的原理，结合实际工况和控制目标提出模糊PID 控制，在MATLAB平台下进行仿真，结果表明模糊PID 能有效地对桨距角进行控制。

【关键词】风力发电；液压；模糊PID控制；变桨距

引言

风能作为一种清洁能源已被广泛利用，风力发电产业也得到了快速的发展。液压变桨距控制系统是大型风电机组设计的核心技术，对液压系统进行动态特性分析已经成为风电机组设计中非常必要的重要手段和必经程序，而传递函数法是液压系统建模仿真的一种有效的方式。本文在工程中常用的PID 控制的基础上，通过研究将模糊控制与PID结合的方法，实现了无须确定被控对象精确模型，只须将操作人员实践积累的经验知识用语言规则模型化，然后用模糊推理在线辨识对象特征参数，实时改变控制策略，便可对PID 参数实现最佳调整，从而达到桨距控制的目的[1]。

1 液压系统设计

大型风电机组液压变桨距系统本质上是一个阀控缸系统，其液压系统原理如图1所示。液压泵提供液压变桨距系统动力，调节方向阀就能实现变距控制系统的节距控制。根据功率送达控制器的电信号，控制比例阀输出流量的方向和大小，液压缸根据电液比例阀输出的方向和流量来操纵活塞的方向和速度，从而液压缸的位移由电液比例方向阀完全控制。活塞向左移动，叶片节距向减小方向移动；当电液比例阀通电到右位时，压力油进入油缸后端，活塞向右移动，相应的叶片节距向增大方向移动。

图一 变桨距液压系统原理图

2 变桨距系统传递函数

液压变桨距控制系统对桨距角β的控制是通过比例阀来实现的。为了提高整个变桨距系统的动态性能，在油缸内也装有位移传感器。变桨距液压系统数学模型需要比例电磁铁的传递函数、阀的开口方程、阀口的流量方程、液压缸的流量连续性方程、液压缸的力平衡方程和曲柄连杆机构位移方程[2]。

比例电磁铁传递函数和先导级力平衡方程

式中， i—比例电磁铁输入电流；Ki—比例电磁铁力电流放大系数；Ksf—比例方向先导阀反馈检测弹簧刚度；Kb—电流位移放大系数；Xv—比例方向阀阀芯位移。

阀口流量方程

（3）

式中，Q1—电液比例阀流量；Kq —流量放大系数；Kc—流量压力放大系数；Pc—负载压差。

液压缸流量连续性方程

（4）

式中，A c—液压缸活塞面积；Vc—液压缸总容积；βe—等效容积弹性模数；y—液压缸活塞位移；C1—总泄漏系数。

液压缸受力平衡方程

（5）

式中，M—活塞与负载折算到活塞上的总质量；Bc —活塞与负载运动的粘性阻尼系数；K—负载弹簧刚度。

整合并化简可得液压变桨机构对象传递函数：

（6）

3 模糊PID控制器

单纯的模糊控制难以满足高精度或高性能要求。首先，输入变化量为系统偏差和偏差变化量，相当于一个PD调节器，由于不含积分机制，控制结果会产生静差，影响控制精度；其次，当系统参数发生变化时，它不能对自己的控制规则和控制参数（比例及量化因子）进行有效和实时调节。结合PID控制的良好动态性能和在实际中的大量应用，本文设计了模糊PID 控制器对节距角进行控制[3]， 如图2所示。

图2 变桨距模糊PID控制原理

3.1 首先定义输入变量e，ec 和输出变量kp，ki，kd在模糊集上的论域，将其变化分为7个等级：

Kp={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

Ki={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06} （ 7）

Kd={-6，- 4，- 2，0， 2， 4， 6}

E，ec={-6，-4，-2，0，2，4，6} （ 8）

它们的模糊子集均为：

Kp，Ki，Kd，E，EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} （9）

子集中的元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。

3.2 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限各点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。常用的隶属函数可分为三类：偏小型、偏大型、中间对称型，本文采用三角形型隶属度函数，这种隶属函数的形状和分布由三个参数表示：一般可描述为：

3.3模糊规则的设计，控制核心是模糊控制规则的设计，根据实践操作经验和技术知识，建立合适的模糊规则表“IF E=* AND EC=*，THEN KP，KI，KD=***”：

表一 Kp的模糊规则表

根据设定的模糊控制规则表，可以得到相应的模糊关系R，通过给定的如何E，EC和模糊合成运算，可以得出kp，ki，kd的调整后的表达式，即在第k个采样时刻kp的整定参数：

（11）

根据调整后的PID参数对桨距控制系统进行控制。

4 仿真结果

本文在传统PID控制变桨的基础上，加入了现代模糊控制理论，并在Matlab/ Simulink仿真环境下对大型风电机组变桨距系统进行仿真实验研究。给定输入角度，控制目标使输出跟踪输入变化。通过实时E、EC的值，通过模糊控制系统调取Kp（k） ，Ki（k），Kd（k）的值，计算出实时Kp，Ki，Kd值的大小，得到输出量以控制变桨机构桨距角，并由闭环负反馈达到控制要求。

本文简单分析了液压变桨风力发电的系统结构和特性，以及变桨距的功率控制方法，在对模糊控制理论和常规PID控制进行比较的基础上提出了模糊自适应PID 控制，并对基于模糊PID 的变桨距控制器进行设计和仿真，仿真结果表明，模糊PID 能有效地对风力机桨距角进行控制，响应时间更短，偏差量更小，为进一步研究风力发电系统的功率控制奠定了基础。

参考文献：

[1]何玉林，刘军.大型风力发电机组变桨距控制技术研究[J].计算机仿真，2010，27（7）

[2]孔屹刚，徐大林，顾浩，等.大型风力机液压变桨机构建模分析[J].太阳能学报，2010，31（2）：210-215.

[3]宁海峰.参数模糊自整定PID控制器的研制[D] . 福建省泉州市：华侨大学，2006：30-45

作者简介：王湘明（1963-），男，辽宁沈阳人，副教授，硕士，主要从事风力发电控制技术研究。