实现模糊控制的方案优化

图4-4　Cp（β，λ）曲线

由上述分析可知，在变速恒频双馈风力发电机中，由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速在不断变化，而且经常在同步速上、下波动，这就要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性，还要有能量双向流动的能力。为此采用三个模糊控制器来实现双馈风力发电机的变速恒频：模糊控制器A用于跟踪不同风速下发电机的最佳转速；模糊控制器B在低负载时调节发电机转子气隙磁通；模糊控制器C抵抗干扰，保证控制系统的鲁棒性。

1.模糊控制器A

捕获最大功率的过程首先是一个转速控制过程。模糊控制器A通过调整风力发电机转速n使之与通过风力机的风速v相适应，从而获得最大能量转换效率，其工作过程如图4-5所示。当转速为n1、风速为v1时，发电机的工作点为A；这时控制器需要对转速进行调整，当转速从n1调整到n2时，发电机的工作点将从A点调整到B点，从而获得该风速下的最大功率输出；如果风速继续增大到v3，输出功率将跳跃到D点（由于发电机的转速不能突变），随后控制器将调整转速使工作点到达E点；如果风速降到v2，这时工作点变成G，控制器将调整转速使工作点达到最大点H。

图4-5　最大功率追踪过程

由于作用在风轮叶片上的风速除叶片自身以外是无法感知的，因此把风力发电机组作为风速仪，即通过测量风力机的输出功率来估算风速。模糊控制以功率测量值为依据，逐步改变发电机转速：如果输出功率的增量ΔP0为正，且发电机转速的增量Δn0也为正，则新的转速增量Δnr继续保持在同一方向（为正）；当发电机转速的增量Δn0为正，而输出功率的增量ΔP0为负，这时新的转速增量Δnr则为负，即模糊控制器搜索的方向相反。模糊控制器A框图如图4-6所示。

建立输入变量ΔP0和Δn0及输出变量Δnr的模糊隶属函数，通过模糊规则矩阵来确定转速控制变量，模糊控制器A的隶属函数如图4-7所示。

选取ΔP0的语言变量词集为｛NVB，NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，PVB｝，选取Δn0的语言变量词集为｛N，ZE，P｝，选取Δnr的语言变量词集为｛NVB，NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，PVB｝。

图4-6　模糊控制器A框图

图4-7　模糊控制器A的隶属函数

ΔP0和Δnr隶属函数的设置不均匀，当变量接近0时，隶属函数的敏感性增加，以便在搜索逼近最佳点时及时调整搜索步长。风力发电机的控制规则见表4-1。

表4-1　风力发电机的控制规则表

注：如ΔP0为PM，且Δn0为P，则Δnr为PM。其他依此类推。

2.模糊控制器B(www.xing528.com)

风力发电机大部分时间运行在额定负载以下，因此发电机转子气隙磁通可减小到额定值以下，以减少发电机损耗，提高发电机工作效率。

转速趋于稳定状态条件下（Δn0小于设定值一定时间）的最佳转速由模糊控制器A建立后，发电机工作在额定磁通下。为进一步提高发电机效率，可以通过减小定子电流ids的磁化分量来减小发电机气隙磁通。但这样会导致发电机定子电压降低而降低转矩，为此设置模糊控制器B增加转矩电流iqs。当磁通逐步减小时，发电机的铁耗也相应减小；而由于转矩电流的增加，发电机的铜耗和变频器损耗将逐步增加，系统总的损耗逐步下降，经过最低点后又开始上升，这一结果可以在变频器直流耦合功率Pd上得到反映。图4-8是发电机效率优化过程的控制框图。

图4-8　模糊控制器B框图

控制器对发电机输入直流功率PD进行采样，并与前次采样值进行比较，以确定增量ΔPd，同时检测励磁电流增量Δids。当直流功率增量ΔPd为负，励磁电流增量Δids为负，表示可进一步减小励磁电流ids，则在同一方向继续搜索；如ΔPd为正，Δids为负，表示损耗已开始偏离最低点，控制器即开始反向搜索，同时调整搜索步长。建立输入变量ΔPd和Δids及输出变量（新的励磁增量）Δ的模糊隶属函数，通过模糊规则矩阵来确定转速控制变量，模糊控制器B的隶属函数如图4-9所示。选取ΔPd的语言变量词集为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，选取Δids的语言变量词集为｛N，P｝，选取Δ的语言变量词集为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。

建立模糊控制规则，确定新的励磁电流增量，模糊控制器B的控制规则见表4-2。

图4-9　模糊控制器B的隶属函数

表4-2　模糊控制器B的控制规则表

注：如ΔPd为NM，且Δids为N，则Δ为 PM。其他依此类推。

3.模糊控制器C

模糊控制器C是速度调节器，用于提高转速控制的鲁棒性。基本过程是通过对扰动转矩设置反向阻转矩来抵消模糊控制器B引起的转矩突变，从而为转速控制过程提供无振荡型响应。在此仅给出模糊控制器C的控制规则，见表4-3。

表4-3　模糊控制器C的控制规则表

注：如转速偏差Δn为PS，且发电机转矩增量ΔTm为PM，则发电机新的转矩增量Δ为PB。其他依此类推。

4.模糊控制系统的协调

由于控制系统包含三个模糊控制器，控制过程必须遵循各自的启动与关闭条件才能协调工作。风力发电机组并入电网后逐步进入运行稳定状态，即：｜ΔP0｜＜E（允许误差设定值）并延时Ts，模糊控制器A开始工作。在给定风速条件下，模糊控制器A通过调节发电机转速使之获得最大功率。如果风速继续缓慢变化，模糊控制器A将控制发电机转速使之跟踪风速变化直到稳定状态，这时转速在最佳功率点附近波动，｜Δn0｜＜E，控制将切换到模糊控制器B的控制模式。模糊控制器B通过调节发电机气隙磁通使发电机工作在最大效率点，这时定子电流ids在最佳功率点附近波动，｜Δids｜＜E。如果风速发生大的变化，使功率｜ΔP0｜＞E并延时Ts，控制系统立即退出模糊状态，并重新建立发电机额定磁通。当风速在非模糊控制状态下趋于稳定，即｜ΔP0｜＜E并延时Ts，模糊控制系统又按上述程序投入工作。