大型风电机组模糊滑模鲁棒控制器设计与仿真

式(4)、 (6)构成了双馈异步风力发电机的 5 阶模 型。其中，ψ为磁链；Ls 和 Lr 分别为定子和转子的 自感；Lm 为定子和转子的互感；R 为电阻；ω为定 子电压角频率，等于同步旋转角频率；ωr 为转子角 频率；np 为发电机极对数；D 为微分算子；下标 1、 2、q、d 分别表示定子侧量、转子侧量、q 轴分量、 d 轴分量，以上转子各量均已折算至定子侧。 由式(4)发现，在第1、第2行出现了零元素，减 少了多变量之间的耦合关系，另外发电机的电磁转 矩仅和定子侧磁链和d轴电流这2个变量有关，大大 简化了发电机的模型。
138
中 国 电 机 工 程 学 报
第 28 卷
3
模糊滑模控制策略
这一向量用 Ueq 表示，称之为等价控制。
U eq = (CB ) −1 [CAX (t ) + CF (t )]
3.1 模糊滑模控制器 模糊控制最大特点是将专家的经验和知识表示 为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数 学模型，能克服非线性因素影响，对被调节对象的 参数具有较强的鲁棒性。但是模糊控制器参数需经 过反复试凑才能确定， 缺少稳定性分析和综合方法。 滑模变结构控制是一种非线性鲁棒控制方法，它主 要用于处理建模的不精确性。滑模变结构控制系统 即使模型不精确，也能良好的维持系统的稳定性和 鲁棒性。但是实际的变结构控制系统由于切换开关 非理想等因素影响，使滑动模态产生高频抖振，这 就是变结构系统中的“抖振”问题。模糊控制和滑 模控制各有优缺点，二者结合就构成模糊滑模控制 器，如图3所示。 本文根据风速大小设计了2个模糊滑模控制器： 风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用模糊 滑模变速控制器，目的是获得一个最佳风能系数， 从而最终获得最大风能；当风速在额定风速和切出 风速之间变化时，采用模糊滑模变桨距控制器，通 过液压执行机构调节桨距角，使发电机输出功率基 本保持不便，恒等于额定功率[1-4]。
KONG Yi-gang, WANG Zhi-xin
(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China) ABSTRACT: An increasing number of larger wind turbines (1 MW and up) are being developed with a variable speedvariable pitch control mechanism. The main objective of using a variable speed-variable pitch control strategy is to improve response speed and get maximum energy. But the power generated by wind turbine changes rapidly because of the continuous fluctuation of wind speed and direction. At the same time, wind energy conversion systems have strong nonlinear characteristics with many uncertain factors. Fuzzy control needs no accurate mathematical model and sliding-mode control can provide a good robustness and stability of system. In the paper a new kind of state controller is proposed by fuzzy sliding-mode control theory and the simulation model of a 1.5 MW variable speed-variable pitch wind turbine is established with the simulation software. Simulation results show the fuzzy slidingmode controller may also eliminate the steady state error, compensate the nonlinearity and have excellent robustness. KEY WORDS：wind turbine; variable speed-variable pitch mechanism; fuzzy control; sliding-mode control; simulation 摘要：目前大型风力发电机组(功率在 1 MW 以上)普遍采用 变速−变桨距控制机构， 其主要目的是提高风机的响应速度， 同时获得最大功率。但是由于风速和风向是时刻变化的，所 以风机发出的功率也是时刻变化的。另外，由于一些不确定 因素的存在，整个风能转换系统具有很强的非线性。模糊控 制无需精确的数学模型， 滑模控制能提高系统的鲁棒性和稳 定性。该文设计了一种基于模糊滑模控制理论的控制器，同 时使用仿真软件建立了 1.5 MW 变速−变桨距风机仿真模型。 仿真结果表明，模糊滑模控制器可使风机系统减小静态误 差，弥补非线性带来的影响，且具有很好的鲁棒性。 关键词：风机；变速−变桨距机构；模糊控制；滑模控制； 仿真
−ω Ls 0 −ω Lm ⎤ ⎡ id 1 ⎤ ⎡U d 1 ⎤ ⎡ R1 ⎢U ⎥ ⎢ ⎢i ⎥ Lm D ⎥ 0 ⎢ q1 ⎥ = ⎢ 0 R 1 + Ls D ⎥ ⎢ q1 ⎥ (4) ⎢U d 2 ⎥ ⎢ Lm D −ω r Lm R2 + Lr D −ωr Lr ⎥ ⎢id 2 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ωr Lr R2 + Lr D ⎦ ⎣ ⎢U q 2 ⎦ ⎥ ⎣ω r L m Lm D ⎢ iq 2 ⎥ ⎣ ⎦
模糊推理 d/dt S( t) S(X) 扰动 X
0.4 风能系数
β=0 β =5
0.2
β=10 β =15 β =20
4 8 12 尖速比 16 20
0
Fig. 2
图 2 风机能量系数曲线 Coefficient curve of wind turbine power
2
双馈异步风力发电机模型的建立
1
风力机特性
变速－变桨距风力发电机组结构原理如图1所 示，主要由风轮、齿轮箱、发电机、变桨距调节机 构、电网、控制器、变换器7个部分构成。
基金项目 ：上海市科技发展基金项目 (062158017)。
0Leabharlann 引言目前， 风电领域的研究热点集中在风机大型化、 近海风机、风机运行控制策略和优化等方面。风力 机变速−变桨距调节方式是风能收集和转换的两种 主要功率调节方式，也是当前国内外风力发电机组 在风速低于额定风速的情况下， 主 研究的热点[1-8]。 要采用变速调节方式， 即通过调节发电机转子转速， 获得最大风能转换功率；当风速大于额定风速时， 采用变桨距调节方式，即通过调节桨距角，使发电 机输出功率基本上等于额定功率。变桨距风力发电 机的额定风速较低，在风速超过其额定风速时发电 机组的出力也不会下降， 始终保持在接近理想水平， 提高了发电效率。同时，变桨距风力发电机的叶片 较薄，结构简单、重量轻，使发电机转动惯量小， 易于制造大型发电机组。因此，大型风力发电机组 普遍采用变速−变桨距技术[9-10]。 对于兆瓦级的风力发电机组，变速−变桨距机 构的设计要满足驱动力大、有足够的强度和精度等 要求。液压控制系统刚度大，输出位移量受负载影 响小，定位准确，液压执行机构响应快，系统频带 宽，因此选用液压系统作为变桨距的动力系统。但 是，液压系统存在死区、滞环、库伦摩擦，还有一 些软参量，如体积弹性模量、油的粘度、系统阻尼 比等，有非线性特征[11-12]。同时，由于风能具有能 量密度低、随机性和不稳定性等特点，所以风力机 是一个复杂多变量的非线性不确定系统。因此，采 用可靠的控制技术是机组安全高效运行的关键[5-7]。 针对风力机具有的这一特性，采用模糊滑模控 制，可以充分利用其非线性、变结构、自寻优等功 能， 克服风电系统的参数时变与非线性因素。 因此，
v 风轮 Pt 齿轮箱 变距 机构 Pm 发电机 i Pe 电网
目前，MW 级风力发电机组多数采用双馈异步 风力发电机，双馈异步风力发电机是一个高阶非线 性强耦合的多变量系统， 要想对 MW 级风力机实现 精确控制，就必须对双馈异步风力发电机建立一个 比较精确的模型。本文提出采用 dq0 同步旋转坐标 系统定子 q 轴磁场定向，可以简化发电机电磁转矩 表达式，且容易实现。在定子和转子三相对称、绕 组匝数相等的条件下，可建立如下双馈异步风力发 电机组模型：
β
ω ω*
v
变换器 P
控制器
P
*
图 1 变速− 变桨距风力发电机组结构原理 Fig. 1 A simplified variable speed-variable pitch wind power conversion system
由于采用 dq0 同步旋转坐标系统定子 q 轴磁场 定向，显然有：
⎧ ⎪ψ q1 = ψ 1 ⎨ ⎪ ⎩ψ d 1 = 0
C P (λ , β ) = λ Cq (λ , β )
(3)
式中： λ = ωt R / v 为风机叶尖速比；ωt 为风轮旋转 角速度；v 为风速；ρ为空气密度，R 为风轮旋转半 径， β为桨距角。C P (λ , β ) 和 Cq (λ , β ) 与λ和β存在非 线性关系，λ = 10 、β = 0 时，可以得到一个最佳风 能系数，如图 2 所示。
(5)
风力机实际输出功率与风速的关系为
1 Pt = ρπR 2 CP (λ , β )v 3 2