基于模糊控制的风力发电机组偏航系统研究
2011-08-02宋建军张扬张长安杨丰
宋建军，张扬，张长安，杨丰
（1.陕西省地方电力（集团）有限公司，陕西西安710061；2.榆林电力设计院，陕西榆林719000）
偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，也称为对风装置，它的性能优劣直接影响着机组的整体性能以及对风能的利用效率和发电效率。然而，目前国内对大型风力发电机组偏航系统的控制技术研究甚少。
风作为自然界的产物，具有随机性的特点，且其方向也在时刻发生着变化，因此在风力发电机组的控制中，偏航系统需要频繁起动使风轮尽量保持在迎风状态，以提高风能利用效率。但是风力发电机组在发电状态下偏航时会产生陀螺力矩波动，进而引发塔架、叶片等的振动，从而对整个风力发电系统的安全性构成威胁，因此偏航系统不适合频繁起动[1]。此外，近年来风力发电机组的大型化也对偏航系统的稳定性提出了更高的要求。
如果将常规的PID随动控制器应用于偏航系统中，偏航执行机构很容易因为频繁动作而损坏[2-6]。模糊逻辑控制作为智能控制的一个重要分支，凭借其突出优点，近年来得到了快速发展，它是模仿人的思维形式进行的一种自动控制，具有较好的动态性能和较强的鲁棒性，能够有效地改善偏航系统的响应速度[7-13]，因此本文提出将模糊控制应用于偏航控制系统中。
1 偏航系统的工作原理
偏航系统是一个随动的位置伺服控制系统，它的主要作用有2个：一是在可用风速范围内能够控制风轮使之稳定地跟踪风向变化，在非可用风速范围下可以进行90°侧风控制；二是在由于持续跟踪风向而造成电缆缠绕超过规定限值的情况下能够自动解缆，保障风电机组的安全运行。
如图1所示为偏航控制系统的原理框图，其工作过程可描述为：风向标实时地检测风向的变化情况，并用电信号将检测结果传递到偏航控制器中，经过计算可以确定风向信号和机舱中心线的夹角，从而决定是否需要启动偏航机构来调整机舱的方向。如果需要启动，微处理器会发信号给偏航驱动机构，带动风轮偏航对风，最终将风机调整到与风向一致的位置[14]。
图1 偏航控制系统原理框图
2 偏航系统模糊控制器的设计
2.1 输入输出变量模糊化
本文假设风向偏离风轮轴心线的角度一直处于自动偏航的设定值范围内，偏航控制器将本次获得的风向信号与上一次的风轮轴心线位置信号进行比较后给出一个角度偏差值。文中偏航控制器选用二维模糊控制器，其输入量为角度的偏差E和偏差变化率EC，输出量为偏航角度控制量U。
将输入语言变量E、EC、U用7个语言变量来表示[15]：{NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）}。
由自动偏航控制的要求，取角度的偏差E的基本论域为（－15°,15°）,偏差变化率Ec的基本论域为（－10,10），偏航控制量U的基本论域为（－60°,60°）。选择偏差E、偏差变化率Ec及被控量U的模糊论域为X,Y,Z＝{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，则有：
偏差的量化因子为
偏差变化率的量化因子为
被控量的比例因子为
偏差E、偏差变化率Ec和被控量U的模糊子集的隶属度函数μ(x)，μ(y)，μ(z)均采用三角形函数[16]，如图2所示。
图2 模糊变量E的隶属度函数
2.2 模糊控制规则的建立
如表1所示，为风机偏航系统模糊控制器的控制规则表。其中，控制量变化的选取总原则是当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量需要注意防止超调，以系统稳定为主[16-17]。
表1 偏航系统模糊控制规则表(U值)
2.3 模糊推理和解模糊方法
本文采用MIN-MAX推理法进行偏航控制系统的模糊推理，解模糊时采用重心法。
3 软件流程图设计
当风向与机舱中心线的偏离角度在自动偏航设定值范围之内时，通过偏航模糊控制器进行自动迎风控制，如图3所示为模糊控制实现过程的流程图。
图3 模糊控制流程图
根据风向标传感器对角度信号的分析，可以设计偏航方向确定过程的流程如图4所示。
图4 偏航方向确定过程流程图
4 仿真结果与分析
4.1 仿真模型图
如上所述，偏航系统具有非线性和随动性，精确的数学模型难以建立，所以本文采用下述简化数学模型[18]来确定其传递函数为
对于变桨距变速风力发电机组而言，当工作在10 m/s的风速下，风压力为130 N/m2时，经计算可得系数Km=65,Tm=500。故此时偏航系统的传递函数为
图5所示为在Matlab/Simulink仿真平台中搭建的含模糊控制器的风力发电机组偏航控制系统仿真模型。
图5 含模糊控制器的偏航系统仿真模型
4.2 仿真结果及比较
对上述含模糊控制器的偏航系统加阶跃信号进行仿真，并与PID控制器的仿真结果（经试凑，PID控制器的最佳调节参数为kp=50，ki=0.001,kd=20）进行比较，得到的响应曲线如图6所示，其中横坐标为时间，纵坐标为响应幅值。
4.3 仿真结果分析
以上仿真结果表明：与传统的PID控制器相比，模糊控制器的性能更为优越，它具有超调量低、振荡小的优点。另外，从图6还可以看出，模糊控制器仿真曲线的响应时间比PID控制器的要快1.5 s。同时要求偏航系统无超调，因为风机机舱的安装高度一般都在数十米甚至上百米，在这样的高空进行自动对风时，若响应出现超调，会使偏航系统频繁起动，导致机舱不稳定。因此，采用模糊控制器可在保证偏航系统稳定性的前提下具有更快的响应速度。
图6 模糊控制器与PID控制器仿真曲线对比图
5 结语
由于风向变化具有随机性和不确定性的特点，如果将传统的PID随动控制器应用于偏航系统中，虽然可满足基本要求，但是响应速度较慢，会导致风能的浪费。所以本文设计了一种模糊控制器来完成对偏航系统的控制。仿真结果表明，模糊控制系统的整体性能要优于PID控制系统，它能同时满足偏航系统对控制精度和稳定性的要求，因此可以更好地达到预期的控制目标。
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