最大风能转换模糊控制系统仿真研究

节 风 轮转 速 ，使 其 叶尖 速度 与风 速之 比保持 不变 ，就
可 以获得最 佳 的功率 系 数 。这就 是变 速变 桨风 力发
电机组 进行 转 速控制 的基本 目标 。
发电机采用 双馈异步发 电机 ，它 的定 子绕 组直接
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图 ２ 风 力 机 性 能 曲线
＝ ～ ｒｍ
（３）
其 中 ：．，，为 风 轮 转 动 发 电 量 ；ｎ为 增 速 箱 传 动
比 ； 为风 轮气 动 转 矩 ；Ｔｍ为转 动 轴 递 给 刚 性 齿 轮
的扭 矩 。
风 轮转 矩与 功率 之 间的关 系为 ：
Ｐｒ １ ２ （Ａ，卢） ３
＝
：
仃
（４）
风 力 机 的特 性 通 常 由一 簇 功率 系数 ｃ 的无 因 次 性能 曲线 来表 示 ，功 率 系 数 是 风轮 叶尖 速 比和 桨 距 角 的函数 ，如 图 ２所示 。
（１．国网湘潭供 电公司 ，湖 南 湘 潭 ４ｌ１１００；２．河源供 电局 ，广 东 河源 ５１７０００）
摘 要 ：风 力发 电机组是复 杂的多变量非 线性 系统 ，受外部干扰 严重 ，具有强耦合 与强 时变性 ，为此 ，为 了更加 方便 的进行控 制 ，本文设计模糊控制 器。首先建立风 力发 电系统仿真模 型，使得在额定风速 以下时，根 据风实现跟踪 最大功 率的 目标 ；在额 定风速 以上 时，控制 风轮 的 桨距 角以调 节风能利 用 系 数 ，实现风力发 电机组 的·巨功率输 出。最后通过 Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真，对所设计 的模糊控制 器进行仿真研 究。 关键 词 ：风 能 ；浆 距 角 ；模 糊 控 制 文章编号 ：１００８—０８３Ｘ（２０１６）０２—０００１—０５ 中图分类号 ：ＴＭ７４３ 文献标 志码 ：Ｂ
风力发 电机组 建模 是对 风 力发 电系统 进行 控 制 和优化 的基 础 。文献 ［１—５］描 述 了风 力 发 电机组 的 风轮、机械传动系统和简单的发电机模型 ，并介绍 了 一 些建模方 法 。文献 ［６—７］建立 了大型 变桨距 机 组 在标称状况 下的非线性数 学模型 ，通 过对气 动机械 部 分的线性化 ，得 到整个系统 的 ５阶线性 定常 状态空 间 模型。文献 ［８］采用力矩平衡关系，建立了风力发电 机组 的机理模 型 ，在各工况点用 一 阶泰 勒展 开得到 系 统的 ５阶状态方 程 。上述仿 真结果 表 明，风力 发 电机 组 的风速 阶跃 响应 时 间短 ，风速 扰动对 机组性 能影 响 最 大 ，桨距角对 系统 各项 参 数 的影 响不 均 匀 ，电 网电 压扰动对 系统 的影 响相对较小 ，但 是 上述文献 中并 没 有提 出一种 最大风能转换 控制系统 。
最大值是贝兹极限５９．３％ ；Ａ为叶尖速 比（Ａ＝一ＵＪｒｌｋ ，
贵州 电力 技术
第 １９卷
本文 采用 下 面 的公 式计 算 ：
ｆｃ （Ａ，／３）＝０．２２（ １１６—０． 一５）ｅ－半
，
１ 一
【Ａ
—
Ａ
＋０ ．
０８卢
ＩＢ ＋１
风 轮 的运动方 程 可表示 为 ：
（Ａ， ）曲线 是 桨 叶 节 距 角 的 函数 ，从 图 中可 以看 出 Ｃｐ（Ａ，ＪＢ）曲线 对 桨 叶节 距 角 的变 化 规 律 ：当桨 叶 节 距角 逐 渐 增 大 时 ｃ （Ａ， ）曲线 将 显 著 地 缩 小 。 如 果保 持桨 距 角不 变 ，可 以用 一 条 曲 线来 描 述 功 率 系数作 为 叶尖速 比的 函数 ，如 图 ３所 示 。
接 入 电网 ，转 子绕组通过变 流器 与电 网连接 。通过调 节 定子 电压 就可 以改变 发 电机反力 矩 ，进 而改 变风轮 转 速 ，使得转 速跟随风速 变化 ，捕获 最大风能 。
图 ３ 定 桨 距 风 力 发 电机 组 的性 能 曲线
由（２）式 可 见 ，在 风 速 给定 的情 况 下 ，风 轮获 得 的功率将取决于功率系数 ，ｃ 值越大风力机将风能 转化为机械能的效率越 高。根据 图 ３，在任何风速 下 ，只要使得风轮的叶尖速 比 Ａ＝Ａ ，就可 以维持 风 力 机 在 Ｃ。 。 下 运 行 。 因此 ，风 速 变 化 时 ，只 要 调
２０１６年 ２月 第 １９卷 第 ２期
２０１６，Ｖｏｌ，１９，Ｎｏ．２
贵 州 电 力 技 术
ＧＵＩＺＨＯＵ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷ ＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
电 网科 技
Ｐｏｗｅｒ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
最 大 风 能 转 换 模 糊 控 制 系统 仿 真 研 究
黄 璐 ，谭 杰 ，付 凯朋 ，唐 武勤 ，边瑞恩
大力 发展 风力 发 电 对保 护 生 态 环 境 、改 善 能 源 结构 、促进 可持 续 发 展都 具 有 重 要 意 义 。如 何最 大 程度的利用风能，一直是各 国科研人员的研究重点 。 由于 风能具 有 能量密 度小 、稳定 性差 等 问题 ，利 用 风 能发 电 比用 水力 发 电困难 得 多 ，使 得 风 力 发 电 系统 在技术上和管理上都出现了一些特殊 问题 。
风力 发 电机组 是 复 杂 的多 变 量非 线 性 系统 ，受 参数 变化 和外 部干扰 严重 ，具有 强耦 合 与强 时变性 ， 为此 本文 拟设计 模糊 控制 器 。首先 建立 风力 发 电系 统仿 真模 型 ，使 得 在 额 定 风 速 以下 时 ，根 据 风 速 变 化 ，控 制 电机转 速获得 最佳 叶尖 速 比 ，实 现跟踪 最 大 功 率 的 目标 ；在额 定风 速 以上时 ，控制 风 轮 的桨 距角 以调节 风能 利用 系数 ，实 现 风力 发 电机 组 的恒 功 率 输 出 。最后 通 过 Ｍａｔｌａｂ仿 真 ，对所 设 计 的模糊 控 制 器 进行仿 真研 究 。