基于模糊PI的机侧变流器控制研究

李春亚 吕蒙

摘 要：由于风速的随机性及直驱永磁风电机组的非线性和强耦合性，PI控制无法实现良好的动态性能。文章在机侧变流器传统双闭环控制策略的基础上，将模糊控制理论与PI控制相结合，速度外环采用模糊PI控制器，能够根据实际工况实时对PI参数进行调节。并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建仿真模型对提出的控制策略进行验证。仿真结果表明，当风速发生变化时，相比于传统的PI控制器，模糊PI控制有效地改善了PI控制器响应速度慢、超调大等缺陷，提高系统的动态性能和抗干扰能力。该方法用于直驱永磁风力发电系统是可行的。

关键词：风力发电；变流器；模糊PI

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0087-03

Abstract： Because of the randomness of wind speed and the nonlinearity and strong coupling of direct-drive permanent magnet wind turbine PI control can not achieve good dynamic performance. On the basis of traditional double closed loop control strategy of machine side converter， this paper combines fuzzy control theory with PI control， adopts fuzzy PI controller in speed outer loop， and can adjust PI parameters in real time according to actual working conditions. Based on Matlab/Simulink simulation platform， a simulation model is built to verify the proposed control strategy. The simulation results show that compared with the traditional PI controller， fuzzy PI controller can effectively improve the system dynamic performance and anti-jamming ability by improving the slow response speed and large overshoot of the PI controller when the wind speed changes. The method is feasible for direct-drive permanent magnet wind power generation system.

Keywords： wind power generation； converter； fuzzy PI

引言

随着人口膨胀和经济的快速发展，在常规能源急剧减少和环境污染加重的大背景下，发展低碳经济、提高可再生新能源的比重成为世界各国的首要任务[1]。风能由于储量丰富，无污染，发电成本相比于其他新能源成本低等优点，其开发利用逐渐受到各国重视。

目前，风电机组常用发电机类型主要有双馈式发电机和永磁发电机两种[2]。随着电力电子技术的发展，永磁同步发电机在风电系统中的应用越来越广泛，直驱永磁风力发电机组成为风电系统发展的一个趋势。

1 直驱风电机组数学模型

直驱风电机组结构组成主要包括风力机、永磁发电机、全功率变流器和控制系统。

在永磁直驱风力发电系统中，风机转速随着风速的变化而变化，永磁同步发电机与风机直接耦合，发电机转速也随之改变。永磁同步发电机的作用是将风能转换成电能，作为该系统关键部件的变流器，主要作用是把永磁同步发电机输出频率变化的交流电经过双PWM变流器转换成工频电并入电网。本文主要研究的是变流系统中机侧变流器的矢量控制，通过控制发电机的转速，实现发电机转速的控制，实现最大风能的捕获。

1.1 永磁同步发电机数学模型

通过公式（2）可以得到，可以通过直接控制iq来控制转矩输出，进一步实现发电机转速的控制。

1.2 機侧变流器控制策略分析

目前，最常用的控制机侧变流器方法有矢量控制和直接转矩控制。鉴于矢量控制具有调速范围宽，转矩脉动小，可实现电动机的连续平滑控制的优点[3]，机侧变流器为实现对永磁发电机的控制，采用转速外环、电流内环的双闭环矢量控制，作为永磁同步电机常用的矢量控制策略。该方法能实现相同电磁转矩输出下定子电流最小，对于永磁风力发电机组就是基于转子磁场定向的矢量控制，即i*d=0。电磁转矩与电流呈线性关系，电磁转矩的控制得到简化。

如图2所示为机侧变流器控制原理图。根据检测到的发电机转速？棕m和给定参考转速？棕ref，通过转速控制环得到参考电流值id*和iq*，通过相电流检测电路获得定子电流，经过dq坐标转换得到id和iq，并与电流参考值相比较，通过电流内环PI控制器，获得空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制所需给定电压输入ud和uq，通过SVPWM 产生的脉宽调制信号控制机侧变流器，从而实现双闭环控制。

2 仿真模型的建立

在永磁同步发电机矢量控制中，采用速度环和电流环的双闭环PI控制，但由于传统PI参数的确定依赖系统精确的数学模型，风速的随机性、变流系统的非线性及参数的不确定性等因素，导致PI参数难以整定，且存在着动态性能不足的情况。模糊控制作为一种智能控制方式，将模糊控制与PI控制相结合可以在一定程度上改善永磁发电机的控制性能。本文将模糊控制引入永磁同步发电机的控制系统，速度外环采用模糊PI控制器代替传统PI控制器，经过模糊推理得到模糊控制器的输出量？驻Kp和？驻Ki，并将PI参数增量与原有PI参数相叠加，根据风速的大小实现PI控制器参数的自动调节。

2.1 隶属度函数的确定

转速环模糊PI控制器为二输入二输出结构，其中一个输入为发电机转速与参考转速偏差e，另一输入为偏差变化率ec，以PI参数变化量？驻Kp和？驻Ki为输出。输入误差e的模糊论域为Ue={-3，-2，-1，0，1，2，3}，误差变化率ec的模糊论域为Uec={-6，-4，-2，0，2，4，6}；输出？驻Kp和？驻Ki的模糊论域同为{-6，-4，-2，0，2，4，6}。输入输出模糊子集语言变量取为{NB，NM，NS，ZR，NS，NM，NB}。其中NB隶属度函数采用Z型，PB隶属度函数采用S型，其他模糊子集采用三角形隶属度函数。具体如图3-5所示。

2.2 模糊控制规则的确定

模糊控制规则的确立以尽快消除误差，实现系统稳定运行为目的。一般情况下根据|e|的大小来确定。

当误差|e|较大时，为保证系统具有良好的动态响应，通常Kp选取较大值，为防止超调过大，Ki选取极小值，甚至为零；当误差|e|为中等大小时，为避免出现过大超调，Kp选较小值，Ki要选取适当值；当误差|e|较小时，主要目的是保证系统良好的稳态性能，Kp应选取较小值，Ki取稍大值来减小系统稳态误差。

根据技术人员的经验和相关专家知识，通过大量仿真试验，建立模糊控制规则并经适当的修改得到？驻Kp和？驻Ki模糊控制规则如表1和表2所示。

2.3 去模糊化

由模糊推理得直接得到的输出为模糊值，在实际控制中不能直接应用，需将模糊值通过去模糊化的方法得到精确控制量。常用的去模糊化的方法有重心法、最大隶属度法和加权平均法。重心法相比于其他两种方法计算复杂，但计算结果相对精确。本文选择重心法作为去模糊化的方法，计算方法为：

3 仿真结果分析

本文选择两种典型输入来验证控制策略的可行性，风速输入采用典型的漸变风速和阶跃风速。图8为渐变风速时，PI控制器和模糊PI控制器得到的参考转速与实际转速对比曲线；图9为阶跃风速下，PI控制器和模糊PI控制器得到的参考转速与实际转速对比曲线。

从图8仿真曲线可以看出，风速在1-2s发生渐变时，模糊PI控制下的发电机实际转速能更好的跟踪参考转速，从图9曲线可以看出风电机组在启动和1s风速发生突变时，采用模糊PI控制响应速度更快，超调量更低，在更短时间内发电机实际转速能迅速收敛至参考转速值。仿真结果表明，模糊PI控制器克服了PI参数难整定的缺点，根据实时系统输入对PI参数整定，有效地改善系统的动态性能。

4 结束语

本文介绍了直驱永磁风力发电系统工作过程及机侧变流器控制原理，针对机侧变流器双闭环控制中PI参数整定依赖精确的数学模型难整定，且固定的PI参数无法很好适应风速变化的缺点，本文通过模糊推理实时整定PI参数。仿真结果表明模糊PI控制器响应速度和系统的稳定性优于PI控制器。

参考文献：

[1]白杰.关于风电变流器的技术现状分析与发展探讨[J].科技展望，2016，26（33）：51.

[2]马伟明，肖飞.风力发电变流器发展现状与展望[J].中国工程科学，2011，13（01）：11-20.

[3]袁雷，等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.