书书书
第 7 卷第 2 期
2 0 1 1 年 4 月
沈阳工程学院学报(自然科学版)
Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science)
Vol. 7 No. 2
Apr. 2011
收稿日期:2011 - 02 - 07
基金项目:国家 863 计划资助项目(2006BAA01A03)
作者简介:姚兴佳(1948 - ),男,辽宁抚顺人,教授,博士生导师,国家 863 计划首席专家,主要从事风力发电技术等方面的研究.
双馈风力发电机功率解耦模糊控制器的设计
姚兴佳,刘中亮,邢作霞
(沈阳工业大学 风能技术研究所,沈阳 110023)
摘 要:从风力机和双馈感应电机(DFIG)的基本原理入手,建立了风力机的数学模型,并建立了基于定子磁链定向的
双馈风力发电机动态数学模型;针对 DFIG 双闭环控制系统功率外环 PI 调节器自适应能力较差的缺点,提出了用 Fuzzy
PI 控制器代替功率外环 PI 调节器. 与传统 PI 控制器相比,FuzzyPI 控制策略对有功功率跟踪速度快、超调量小,仿真结
果也表明了
FuzzyPI 控制器具有优良的动、静态性能,并验证了控制策略的可行性.
关键词:变速恒频;双馈感应电机;FuzzyPI;解耦控制
中图分类号:TM614 文献标识码:
A
文章编号:1673 - 1603(2011)02 - 0097 - 06
引 言
随着风力发电技术迅猛发展,变速恒频风力机组
(VSCF)已经成为当今国际社会风力发电机组的主流
机型
[1]
. 在变速恒频风力发电系统中,交流励磁风力
发电控制方案最具优势
[2 - 3]
. 控制转子励磁电流的频
率,可以实现变速恒频;控制转子励磁电流的幅值和相
位,可以实现 DFIG 输出有功功率和无功功率的解耦
控制.
双馈风力发电机是一个高阶、多变量、非线性、强
耦合的机电系统,它的最大优点是可以实现功率的双
向流动
. 为实现不同的控制目的,双馈电机可有多种建
模方式和控制策略. 文献[4]提出了并网型气隙磁场
定向控制的双馈发电机数学模型;文献[
5 - 6 ]提出了
并网型定子磁场定向控制的双馈风力发电机数学模
型;文献[7 ]提出了基于电网电压定向的矢量控制策
略. 从国内外文献可以看出,目前大多数双馈风力发电
机虽然都在同步旋转坐标系下采用矢量控制,通过常
规的
PI 调节,基本可以实现有功和无功的独立调节.
但仍存在如下问题:
①
传统的 PI 调节器在驱动系统整
个运行范围内很难提供理想的动态性能,控制性能下
降的主要原因是系统的非线性和参数变化
[8]
.
②
PI
参数难以调节,定子有功功率 PI 调节器自适应能力较
差
. 因此,传统的矢量控制难以满足系统控制精度以及
动态性能的要求.
FuzzyPI 控制动态响应快,超调量小,能够减小稳
态误差
[9 - 10]
. 针对传统 PI 控制器存在的问题,这里在
建立风力发电机组数学模型基础上,采用
FuzzyPI 控
制器代替传统矢量控制环节中的 PI 调节器;与传统 PI
控制器相比,Fuzzy PI 控制器跟踪速度快、超调量小,
仿真结果也表明了 FuzzyPI 控制器具有优良的动、静
态性能,并验证了控制策略的可行性
.
风力机的数学模型
风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹(Betz)
于 1926 年建立的. 假定气流经过整个风轮扫掠面时是
均匀的,并且气流通过风轮前后的速度均为轴向
[17]
.
根据该理论,风机实际能够从风中捕获的机械功率和
转矩可用下式表示:
P
M
=
1
2
C
P
(
λ
,
β
)
ρ
A
υ
3
(1)
T
M
=
P
M
W
tur
=
1
2
C
P
(
λ
,
β
)
ρπ
R
5
ω
2
tur
λ
3
(2)
λ
=
2
π
Rn
υ
=
ω
tur
R
υ
(3)
式中,
ρ
为空气密度,kg / m
3
;A 为通过风轮的气流截面
积,m
2
;
υ
为风速,rad / s;
λ
为叶尖速比;
ω
tur
为风轮的角
速度,rad / s;R 为风轮半径,m;P
M
为风机捕获的机械
能,W;T
M
为风机捕获的机械转矩,N·m;C
P
(
λ
,
β
)为
风能利 用 系 数,它 是 叶尖 速 比
λ
与 桨 矩 角
β
的 函
数
[18]
: