自然風速的隨機性和風電機組的強非線性使風機輸出功率不穩(wěn)定。風速低于額定值時，機組的控制目標為最大風能捕獲^[1]；風速高于額定值時，通過槳距角的調(diào)節(jié)，改變風能利用系數(shù)，使輸出功率恒定^[2]。參考文獻[3]采用微分幾何將風電模型線性化再結(jié)合H∞控制理論設(shè)計恒功率控制器，參考文獻[4]將微分幾何線性化與極點配置結(jié)合設(shè)計變槳距控制器。此外，滑模變結(jié)構(gòu)^[5]、自抗擾^[6]、自適應(yīng)模糊^[7]等也在風電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。本文將精確反饋線性與模糊理論有機結(jié)合，設(shè)計變槳控制器并仿真，結(jié)果表明，該控制器能有效、迅速地穩(wěn)定不確定風電系統(tǒng)，性能良好。

1 風電機組模型

    風力機模型：

其中：

    由(1)、(5)可知該風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型為：

    當風速在額定值之上時，控制目標是輸出恒功率。把風機角速度的變化作為控制器的輸入，在變槳距控制器的作用下改變槳距角，從而改變風能的利用系數(shù)，將風力機的轉(zhuǎn)速控制在額定值附近，則輸出功率限定在額定值。風力發(fā)電系統(tǒng)的變漿距控制框圖如圖1所示。

2 基于微分幾何的風電系統(tǒng)全局線性化

2．1 精確反饋線性化理論^[8]

    單輸入單輸出的仿射非線性系統(tǒng)：

    則系統(tǒng)(6)被轉(zhuǎn)化為：

3 模糊控制器的設(shè)計

    由式（14）知這是一個兩輸入單輸出的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，狀態(tài)量z₁的物理含義為風力機的轉(zhuǎn)速ω_r，z₂的物理意義為ωr的變化率所以模糊控制器的輸入即為風力機實際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的誤差e及誤差變化率ec，輸出為控制定律v。

    誤差的變化范圍為[-0.5，0.5]，令語言變量E的論域X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，從而e的量化因子K_e＝6。為語言變量E選取7個語言值分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，由經(jīng)驗可得出相應(yīng)隸屬函數(shù)，從而可得出語言變量的賦值表如表1所示。

    設(shè)ec的范圍為[-0.06，0.06]，選EC的論域Y＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，則得誤差ec的量化因子K_ec＝50。同時語言變量EC也選取7個語言值為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，則其語言變量EC的賦值表與E的相同，即表1所示。

    設(shè)v的范圍[-3，3]，令V的論域Z＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，則v的比例因子K_v＝1。為語言變量V也選取7個語言值分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，則其語言變量的賦值表與EC和E的相同，即表1所示。

    對所有變量賦值后，下一步是模糊控制表的編寫。根據(jù)風機角速度的誤差及誤差的變化率來確定控制器的輸出。

    若風機角速度的誤差與角加速度的誤差變化趨勢相同，都為正大或正中（?。?，意味著風機角速度有繼續(xù)變大的趨勢，所以控制器應(yīng)輸出負大或負中，以減小角速度的誤差，使之趨于額定值。同理，若風機角速度的誤差及誤差變化率都為負大或負中（?。?，則控制器輸出應(yīng)為正大或正中。

    若風機角速度的誤差與其角加速度的誤差變化趨勢相反，即角速度為正（負）而角加速度為負（正）時，可以看出系統(tǒng)本身已經(jīng)向平衡狀態(tài)調(diào)整，所以分別取較小的控制量。尤其當兩者一個為正大（中、?。硪粋€為負大（中、小）時，控制量取為0。

    若風機角速度誤差與角加速度的誤差其中有一個為0，則系統(tǒng)必在穩(wěn)態(tài)附近，所以控制量取較小的值。

    由以上分析得到模糊控制表如表2所示，可得原系統(tǒng)的非線性模糊變槳距控制器。

4 結(jié)果與分析

    如圖2所示，在MATLAB/Simulink中建模并仿真，結(jié)果如圖3和圖4所示。

    (1)風速在15 m/s～17 m/s之間階躍變化時的機組響應(yīng)如圖3所示。由圖3可以看出，當風速階躍增大時，槳距角也發(fā)生相應(yīng)變化，從15°增加到20°左右。同時風能利用系數(shù)減小了，從0.2減到0.13左右，從而減少了系統(tǒng)風能的捕獲，將風機角速度限定在4.35 rad/s，同時系統(tǒng)功率限定在600 kW左右。

    (2)風速在15 m/s～16 m/s之間隨機變化時的機組響應(yīng)如圖4所示。由圖4可知，在隨機風速下，控制器也能將輸出功率控制在額定值600 kW左右，實現(xiàn)了控制功能。

    本文利用微分幾何原理對強非線性風電模型進行精確反饋線性化，再結(jié)合模糊理論，設(shè)計了模糊控制器。在MATLAB中建模并仿真，可知當風速在額定值以上變化時，控制器能通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風能利用系數(shù)，使風機的角速度和系統(tǒng)功率穩(wěn)定在恒值附近，體現(xiàn)了該模糊變槳距控制器的良好性能。但該控制器無法將輸出功率嚴格穩(wěn)定在600 kW，故還需改進。

參考文獻

[1] 王琦，陳小虎，紀延超，等.基于雙同步坐標的無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的最大風能追蹤控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(3)：82-87.

[2] 葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006

[3] 秦生升，胡國文，顧春雷，等.風力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率非線性H∞魯棒控制[J].控制理論與應(yīng)用，2012，29(5)：617-622.

[4] 楊俊華，鄭儉華，楊夢麗，等.變槳距風力發(fā)電機組恒功率反饋線性化控制[J].控制理論與應(yīng)用，2012，29(10)：1365-1370.

[5] 郭慶鼎，趙麟，郭洪澈.1MW變速變距風力發(fā)電機的滑模變結(jié)構(gòu)魯棒控制[J].沈陽工業(yè)大學學報，2005，27(2)：171-174，186.

[6] 夏長亮，宋戰(zhàn)鋒.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流自抗擾控制[J].電工電能新技術(shù)，2007，26(3)：11-14，19.

[7] 張新房，徐大平，呂躍剛，等.大型變速風力發(fā)電機組的自適應(yīng)模糊控制[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(3)：574-577.

[8] 盧強，孫元章.電力系統(tǒng)非線性控制[M].北京：科學出版社，2008.