（控制理论与控制工程专业论文）模糊滑模控制及其在风力发电系统中的应用研究.pdf

摘要 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多 变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。模糊滑模变 结构控制器具有响应快、鲁棒性好、设计实现方便等优点，已被逐步应用于很多工 程领域。本文在对风力发电系统的数学模型和控制理论进行深入研究的基础上，应 用模糊滑模变结构控制理论，分别设计出积分模糊滑模控制器、自适应模糊滑模控制 器和积分自适应模糊滑模控制器。所提出的三种控制器有力克服了系统的参数变化和 外界扰动的不良影响，实现具有一定自适应能力的高性能风力发电系统控制。仿真 结果显示所提出的控制器具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能。 关键词：滑模控制，模糊控制，自适应，风力发电系统 a b s t r a c t c o n t r o li sc r u c i a lt ot h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fw i n dt u r b i n e s w i n de n e r g yh a s l o w e rd e n s i t y ，i n s t a b i l i t ya n dr a n d o m i c i t y w i n dt u r b i n e sh a v es t r o n gn o n l i n e a r m u l t i v a r i a b l ew i t hm a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa n dd i s t u r b a n c e s f u z z ys l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l l e rh a sb e e na p p l i e dg r a d u a l l yi nm a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo f r o b u s ta n de a s yr e a l i z a t i o n b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt h ew i n dt u r b i n ep o w e r s y s t e mm a t h e m a t i c sm o d e la n dc o n t r o lt h e o r y ，i no r d e rt oo v e r c o m et h eb l i g h tc a u s e db y p a r a m e t e rv a r i a n ta n do u t s i d ed i s t u r b a n c e ，t h r e ek i n d so fc o n t r o l l e r si n c l u d i n go fi n t e g r a l f u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ，a d a p t i v ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ra n di n t e g r a l a d a p t i v ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ra r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y t h e s ep r o p o s e d c o n t r o l l e r sa r ea d o p t e dt or e a l i z eh i g hp e r f o r m a n c ew i n dt u r b i n es y s t e mw i t ha d a p t a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s ec o n t r o la p p r o a c h e sa r er o b u s ta n di m p r o v et r a c k i n g a c c u r a c yc o n s i d e r a b l y l i ux i n r a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) i d i r e c t e db yp r o f y a n gx i y u n k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v e ，w i n dp o w e rs y s t e m 摘要 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多 变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。模糊滑模变 结构控制器具有响应快、鲁棒性好、设计实现方便等优点，已被逐步应用于很多工 程领域。本文在对风力发电系统的数学模型和控制理论进行深入研究的基础上，应 用模糊滑模变结构控制理论，分别设计出积分模糊滑模控制器、自适应模糊滑模控制 器和积分自适应模糊滑模控制器。所提出的三种控制器有力克服了系统的参数变化和 外界扰动的不良影响，实现具有一定自适应能力的高性能风力发电系统控制。仿真 结果显示所提出的控制器具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能。 关键词：滑模控制，模糊控制，自适应，风力发电系统 a b s t r a c t c o n t r o li sc r u c i a lt ot h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fw i n dt u r b i n e s w i n de n e r g yh a s l o w e rd e n s i t y ，i n s t a b i l i t ya n dr a n d o m i c i t y w i n dt u r b i n e sh a v es t r o n gn o n l i n e a r m u l t i v a r i a b l ew i t hm a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa n dd i s t u r b a n c e s f u z z ys l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l l e rh a sb e e na p p l i e dg r a d u a l l yi nm a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo f r o b u s ta n de a s yr e a l i z a t i o n b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt h ew i n dt u r b i n ep o w e r s y s t e mm a t h e m a t i c sm o d e la n dc o n t r o lt h e o r y ，i no r d e rt oo v e r c o m et h eb l i g h tc a u s e db y p a r a m e t e rv a r i a n ta n do u t s i d ed i s t u r b a n c e ，t h r e ek i n d so fc o n t r o l l e r si n c l u d i n go fi n t e g r a l f u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r ，a d a p t i v ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ra n di n t e g r a l a d a p t i v ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ra r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y t h e s ep r o p o s e d c o n t r o l l e r sa r ea d o p t e dt or e a l i z eh i g hp e r f o r m a n c ew i n dt u r b i n es y s t e mw i t ha d a p t a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s ec o n t r o la p p r o a c h e sa r er o b u s ta n di m p r o v et r a c k i n g a c c u r a c yc o n s i d e r a b l y l i ux i n r a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) i d i r e c t e db yp r o f y a n gx i y u n k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v e ，w i n dp o w e rs y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文模糊滑模控制及其在风力发电系统中 的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：犁日 期：翌墨! 至 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) ) 作者签名：垒l 生导师签名： 日期：2 竺望：= !日 期： 垫遄坠 哆加吕3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 能源是现代社会发展的基础，随着全球面临的资源枯竭和环境保护的压力，开发和 利用可再生、无污染和低成本的能源已经成为世界各国优先发展的战略。风能技术作为 一种极具开发前景、目前较为成熟的能源技术越来越受到重视。自从2 0 世纪8 0 年代 现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电 机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级 发展到最近进入风电场的兆瓦级机组：功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和 变速恒频发展；运行可靠性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 ，提高到9 8 以上，并且在风电 场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场从内陆移到海上l l 2 j ， 其发展空间更加广阔。发达国家在风能的开发利用方面己取得了惊人的成就，形成了一 个规模巨大的风力机工业。目前，风力发电量占全球电量的1 ，部分国家及地区已达 2 0 甚至更多。我国的风电事业也发展迅猛。到2 0 0 6 年底，我国风电装机已累计达到 了2 6 0 万千瓦，同时国家发改委在可再生能源中长期发展规划中提出目标：中国的 风电装机到2 0 1 0 年4 0 0 万千瓦，2 0 1 5 年1 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年2 0 0 0 万千瓦，届时风电 装机占全国电力装机的2 。中国的风电产业，必将实现跨越式发展。 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料 学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点集中 在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。控制技术是 风力发电机组安全高效运行的关键技术。这是因为：( 1 ) 自然风速的大小和方向 随着大气的气温、气压、湿度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同 而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机桨叶上的风能也是随机的和不可控 的。( 2 ) 风能的能量密度相对较低，为了尽可能多的捕获风能，大型风力发电机 组的叶片直径大约在6 0 8 0 m 之间，使得风轮具有较大的转动惯量。( 3 ) 风力发电 机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障 的检测和保护都必须能够自动控制。( 4 ) 风力资源丰富的地区通常在海岛和边远 地区甚至海上，环境较为恶劣，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运 行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。因此， 深入研究风能发电的控制技术和控制系统对于风力发电机组优化运行、风力发电核 心技术的开发和创新以及实现风力机品牌国产化具有重要意义。 华北电力大学硕士学位论文 滑模变结构控制作为一种非连续控制，只需估计干扰的界限而无需测定其具体 值，可将被控对象从任意位置控制到滑动曲面上仍保持系统的稳定性和鲁棒性，并 且容易实现。正是由于这些特性，使滑模控制系统具备了对系统参数变化和外部扰 动“不敏感 的突出优点。然而，滑模控制在本质上的不连续开关特性将会引起系 统的抖振，这种抖振可能把系统中存在的未建模高频成分激励起来，甚至使系统不 稳定。同时，抖振也增加了控制器的负担，易损坏控制器的部件。所以，设计能抑 制高频抖振的滑模控制器具有理论和实际的意义。将模糊控制和传统的滑模控制有 机结合起来，所构成的模糊滑模控制器用模糊控制的输出代替滑模控制中的符号 项，平滑了控制信号，不但消除了高频抖振现象，而且鲁棒性和跟踪性都能得到了 进一步改进。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电系统 是复杂多变量非线性不确定系统，含有未建模或无法准确建模的动态部分，对这样 的系统实现有效控制是极为困难的。本文应用模糊滑模变结构控制理论，在对风力 发电系统的数学模型和控制理论进行深入研究的基础上，克服系统的参数变化和外 界扰动的不良影响，以期达到风力发电系统的良好控制。 1 2 风力发电机组的动态特性及控制目标 1 2 1 风力发电机组的强非线性特性 贝兹( b e t z ) 理论假定风轮是理想的，它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流 通过风轮时没有阻力，并假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，气流方向为轴 向。贝兹理论得到的理论最大功率系数为5 9 3 口1 。实际运行的风力机叶片与贝兹 理论的假设条件有很大差别，风轮处于风速的大小和方向随机变化的风场环境中， 叶片存在尾流损失、叶尖损失和轮毂损失，叶片失速后使升力系数减少且阻力系数 增大，这些因素都影响功率系数c 曲线的分布。由风轮的空气动力学可知，风轮从 风能中捕获的功率和气动转矩为h j 】： 己( “) = 寺c p ( a ，卢) 脚2 w 3 ( 1 1 ) 乙一寺c r ( a ，) 肛尺3 w 2 ( 1 2 ) 这里，p 是空气密度，r 是风轮半径，w 是风速，c p 是风能利用系数，是节距角， a 是叶尖速比，定义为： a r o j ( 1 3 ) _ 一 kl o ， 2 华北电力大学硕士学位论文 c ，( a ，卢) aa c r ( a ，) ( 1 4 ) 是风轮角速度，c r q ，卢) 是转矩系数。 变桨距风电机组的c p q ，卢) 可以近似为叶尖速比a 与桨距角卢的非线性函数。 风轮特性通常由一簇c ，n ，声) 的无因次性能曲线来表示，如图卜1 所示。从图 上可以看到功率系数曲线对桨距角的变化规律，当桨距角逐渐增大时，功率系数曲 线显著缩小。如果保持卢不变，可以用一条曲线描述它作为a 的性能，这时c 。变为 定桨距风力发电机组的性能曲线，如图1 - 2 。由图1 - 1 和图1 - 2 可知，只要使得风 轮的叶尖速比a k ，就可维持机组在c p 下运行。 图1 - 1 变桨距风力机的c q ) 性能曲线 1 01 5 a ( 一t a r i d 图1 2 定桨距风力机的c p q ) 性能曲线 风力发电机组的非线性特性表现在呻1 ： ( 1 ) 变桨距执行机构的约束：0s s9 0 0 ，矧s5 2 0 0 s e x 。 ( 2 ) 功率系数是桨距角和叶尖速比的非线性函数。 ( 3 ) 气动转矩系数是桨距角、风速和转速的非线性函数。 ( 4 ) 气动推力与桨距角、风速和转速之间是非线性关系。 ( 5 ) 紊流风速频谱的方差和主导频率随平均风速的增加而非线性增加。 3 ， 4 3 2 1 o c 仉 n m m 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 变速风力机运行工况的频繁随机切换特性 理论上讲，风力机的输出功率是无限的，它是风速立方的函数。实际上由于机 械强度和发电机额定功率等物理性能的限制，输出功率是有限度的。变速风电机组 受到两个基本限制：功率限制和转速限制。实际运行时，由于自然风速大小随机变 化，导致变速风力发电机组在在不同的运行工况点之间频繁随机切换，如图卜3 。 风速k 下风力机稳定运行在匕曲线上的a 点，风力机稳定运行在转速劬上。如果 某时刻风速升高至圯，因为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由a 点跳变 至b 点，风力机输出功率由只突增至p 疗。由于风力机输出功率突增，出力增大，则 发电机的输入转矩增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升。 在转速上升的过程中，风力机将沿着b c 曲线增速。当到达风力机功率曲线与其最 佳功率曲线相交的c 点时，功率再一次平衡，转速稳定为鸥。鹞就是对应于风速k 的最佳转速。因此，风力发电机组可以看成一个标准的切换系统口1 。控制系统必须 能够确保风力机在所有运行工况下的鲁棒稳定性，而且，由于不同工况之间切换容 易引起控制系统的暂态响应变差，难以较好满足机组的动态性能。 qq 图1 - 3风力发电机组的运行特性曲线 1 2 3 误差源和不确定性因素 影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因素很多n 1 。比如，由于雷诺数的 变化会引起5 的功率误差，由于叶片上的沉积物和下雨可造成2 0 的功率变化， 其他诸如机组老化、大气条件、电网电压和频率变化等因素，在机组的能量转换过 程中引起不同程度的变化。 4 己 最 、足昂昂只 华北电力大学硕士学位论文 1 2 4 风力发电机组的控制目标 由以上分析可知，风力发电机组是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多 干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标分为四个层次：保证可靠运行，获取最 大能量，提供良好的电力质量，延长机组寿命。控制系统应实现以下具体功能n j j l ： ( 1 ) 所有运行风速范围内，确保系统稳定运行。 ( 2 ) 当机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行检测和记录， 对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记 录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能。 ( 3 ) 低风速时，跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获。 ( 4 ) 高风速时，限制风能捕获，保持风力发电机组的额定输出功率。 ( 5 ) 减少阵风引起的转矩峰值变化，减小风轮的机械应力和输出功率波动。 ( 6 ) 减小功率传动链的暂态响应。 ( 7 ) 控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制，比如桨距角的调节范围和 变桨距速率有一定限制。 ( 8 ) 抑制可能引起机械共振的频率。 ( 9 ) 调节机组的输出功率，控制电网电压和频率稳定。 ( 1 0 ) 对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。 1 3 风力发电机组控制的研究状况及进展 风力发电系统具有强非线性，且风电场风能参数不确切可知，具有强烈的随机 性、时变性、不确定性，含有未建模或无法准确建模的动态部分，对这样的系统实现 有效控制是极为困难的。随着电力电子技术及微型计算机的发展，先进的控制方法 在风能转换系统控制中的应用研究已几乎遍及系统的各个领域，不少有价值的研究 论文见诸于国内外学术会议、学术刊物上，取得了一批有价值的成果。目前，风力 发电系统的控制策略研究根据控制器类型的不同可分成两大类：基于数学模型的传 统控制方法和现代控制方法。现代控制方法主要包括最优控制、模糊控制、人工神 经网络、日。鲁棒控制、自适应控制、专家系统、解耦控制、滑模变结构控制等。 1 3 1 风力发电系统的传统控制方法 当风速变化时，通过调节发电机电磁转矩或风轮桨距角，使叶尖速比保持最优 值，实现风能的最大捕获。传统的最佳叶尖速比控制和桨距角控制采用线性控制方 法，基于线性化模型，采用风速和转速测量值进行反馈控制n 们。文献 1 1 采用基于 5 华北电力大学硕士学位论文 电功率反馈控制方案，可避免风速难于精确测量的问题，该方案的缺点是对于快速 变化的风速，调节相对滞后。 。 基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定 因素多、非线性严重的风电系统并不适用，只能保证在线性化工作点附近的控制效 果。近年来飞速发展起来的现代控制理论，针对风电系统，从非线性控制方法到智 能控制方法出现了多篇论著，效果显著。 1 3 2 风力发电机组的现代控制方法 ( 1 ) 最优控制 风力发电系统所应用的控制方法中，以传统的p i d 控制最多，也最为常见，其次 就是最优控制。基于最大功率点跟踪的风速估计器和最大效率点跟踪的模型基础上 的最优性能控制器n 羽，可以优化机组的输出功率。为研究动态风速时变速风机的最 优控制问题n 3 1 ，给出风能系统中各部件的模型后，将最优控制器分为两个解耦的部 分：慢变量的风轮风速控制和快变量的发电机输出功率控制。调节转速维持无静差 的最佳叶尖速比时的转矩，调节p w m 电压源型逆变器获得该转矩对应的发电机输出 功率，风能捕获可增加9 - 1 5 ，变速时的发电机励磁电压最优控制可降低损耗。a b d i n 针对非最佳叶尖速比时的两种模态采用不同结构的控制策略n4 1 ，设计出不依赖于风 电系统特性的最大风能捕获控制器，可用于多种类型的风能转换系统。偏航控制影 响塔身弯曲尤其侧向弯曲，采用基于柔性结构风机模型的分析，以偏航角及偏航速 度为控制变量的周期性时变l q 偏航控制器，在获得足够侧向阻尼的同时能够降低塔 身扭矩，抑制塔身侧弯及桨叶的震颤，降低结构性动态负载，控制代价却仅相当于p d 控制器的1 0 以内n 5 j 们。矢量控制策略可以实现双馈型异步电机有功与无功功率的 解耦、转矩与功率因数的解耦，使电机功率因数可调。高效全控制型双馈风力发电 机的定、转子边各有一套全控型功率变换器，控制定转子的电压及频率，可使发电机 工作在弱磁状态n 。文献 1 8 考虑到磁路的饱和问题，采用相应电流控制方法，可有 效降低铁损耗，并由此导出最优损耗的状态方程，改善风能捕获的效率，低风速时大 约提高6 。文献 1 9 采用改进的k r s i t c 方法，结合极大值控制和自适应控制理论进 行风轮桨距角控制设计，能够获得最大输出功率跟踪，且可获得全局最优。风速、风 向的随机性会使风力发电机组的输出电压、频率产生波动，如何减小以致消除这一 波动是风电技术的一个重要研究课题，陈星莺研究了超导储能单元( s m e s ) 在并网型 风力发电系统的应用啪1 ，介绍了s m e s 的调节原理及最优控制方法，建立了s m e s 模型 及加入s m e s 后系统的线性化仿真模型，采用遗传算法求解最优反馈矩阵，并借助 m a t l a b 软件包设计控制器，仿真结果表明可改善风电系统输出的电压、频率的稳定 性。闫耀民乜妇以桨距和叶尖速比为自变量，结合永磁同步风力发电机的特点，采用适 6 华北电力大学硕士学位论文 于非线性寻优的单纯形加速法给定不同风速下的最佳风轮转速，控制反馈到电网的 电流来控制直流侧电压，使风电机组达到最大风能捕获。 ( 2 ) 模糊控制 模糊控制将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制，它不依赖于被控对象 的精确数学模型，能够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。由于风力发电机组的精确模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电机组的 控制，受到风电研究人员的重视。文献 2 2 介绍了一种独立运行的变速风力发电机 组，它包含异步发电机、不可控整流器和p w m 逆变器。模糊逻辑控制器根据功率 偏差及其变化调整p w m 逆变器的调制点，从而取得在额定风速以下运行时的最大 功率。文献 2 3 采用三个模糊控制器：一个用于跟踪不同风速下的发电机转速从而 优化风力机的气动性能，一个在低负荷时调节发电机的磁通从而优化发电机一整流 器系统的效率，另一个控制器用以保证转速控制系统的鲁棒性能。文献 2 4 设计了 变速恒频无刷双馈风力发电系统的模型参考自适应模糊控制，实现了较好的鲁棒性 和抗干扰能力。文献 2 5 在风速估计的基础上提出了模糊控制，实现最大风能捕获 和系统稳定性。文献 2 6 将变论域自适应模糊控制应用到风力发电机组的转速和桨 距角控制系统中，改善了风力发电机组的风能捕获性能。变论域自适应模糊控制器 在保持规则形式不变的前提下，论域随着误差的变化而变化。这种控制器不但具有 经典模糊控制的优点，而且具有较高的控制精度。文献 2 7 将气动功率的变化视为 有功功率变化和风轮动功率变化之和，提出了低风速时参考转速模糊逻辑系统。文 献 2 8 ，2 9 研究了变速变桨距风力发电机组模糊控制的仿真和实际应用，模糊控制 可以改善风力发电机组在功率优化和功率限制两种工况之间的切换暂态响应。文献 3 0 研究了发电机电磁转矩模糊控制，实现最大风能捕获。从查阅的文献可以看出， 大部分文献所采用的模糊控制是简单模糊控制器，包含模糊化、模糊推理及模糊判 决三部分。其中模糊化将精确测量值转化为模糊语言，用模糊集表示实测输入值； 模糊推理根据已知的控制规律和数据，用已知的模糊输入量推导出相应的模糊输 出，它是模糊控制器的核心；模糊判决实现由控制输出模糊量到精确量的转化，以 得出用于控制的精确输出值。通常模糊判决所采用的方法有最大隶属度方法、中位 数判决方法和加权平均法等。简单模糊控制器的主要缺点是控制精度不高，会出现 稳态误差，模糊规则的确定需要专家经验，缺乏自适应能力。先进模糊控制算法， 如自适应模糊控制、模糊神经网络控制、遗传算法模糊控制等在风力发电领域中的 研究很少。研究先进的模糊控制算法及其在大型风力发电机组中的应用，改善机组 的控制性能，是风力发电机组控制领域的主要研究热点之一。 ( 3 ) 人工神经网络 7 华北电力大学硕士学位论文 人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，并可实现并 行实时和冗余容错计算，可通过对网络训练，掌握控制对象的非线性函数关系，利用 其自学习和自收敛性，神经网络可作为自适应控制器。文献 3 1 应用三层r n n 网络， 可准确预测并网运行的风力发电系统在阵风条件下的动态响应。r n n 的隐含层可捕 获系统的非线性，将过去的系统响应反馈给网络输入，适当训练后即可获得系统的 已知及未知动态，并将之存储于神经网的权中，从而回避了参数不确定和系统的非 线性。文献 3 2 在变速风力发电机端应用具有神经网控制功能的电压源型变换器， 电网一侧接三个独立的具有神经网控制能力的滞后电流型逆变器，快速准确的电流 控制可实现有功及无功功率控制。文献 3 3 针对永磁同步风力发电系统的最大风能 捕获和输出电压调节问题，提出一类新的节点较少的神经网络控制方法，同步电机 通过一个整流桥和两个d c d cb u c k b o o s t 变换器为直流负载供电，调节第一个变换 器的开关频率可获得最大功率捕获，调节第二个变换器的开关频率可实现输出电压 调节，调节过程由神经网控制器统一控制。仿真结果验证了在6 1 6 m s 风速范围内， 当风速跃变及输出参考电压突变时，控制的准确性快速性和鲁棒性。文献 3 4 采用 一种能降低网络灵敏度、加快学习收敛速度的改进b p 算法，风电系统的自适应性显 著提高。文献 3 5 ，3 6 对一个变桨距变速风力发电系统，采用双模控制结构，内环 用模糊控制器控制发电机的励磁电压，外环用神经网络控制器通过离线学习风力机 的反向动态模型，实现了风能的最大捕获并减小了机械载荷。 ( 4 ) 日。鲁棒控制 日。鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，可直接解决具有建模误差、参数不确 定和干扰位置系统的控制问题，有多篇文献报道了风电机组的h 。鲁棒控制。文献 3 7 采用线性日。控制，实现在有建模不确定性条件下的最大风能捕获。文献 3 8 采 用多变量的m i m o 辨识方法可估计出风力机实验模型，进而设计日。控制器，在基本保 证最大风能捕获的情况下，能使转子轴上转距变化的幅值减小一个数量级，大大改 善系统特性。文献 3 9 应用非线性控制基本原理，采用一个低阶标称模型和一个不 确定范数边界代替线性模型集，在标称模型规范化正确互质因式分解表达基础上， 综合出低阶日。控制器，控制目标通过调整桨距角维持风机转速尽可能保持恒定，控 制器在鲁棒镇定全部模型集的同时能够满足系统要求性能，系统对风速波动的响应 时间大大缩短。郑黎明h 0 1 利用系统辨识的方法分析了水平轴风力机的非最小相位模 型，将风速分解为两个分量：可归入名义模型的平均分量和归入模型的非结构性不 确定部分的脉动分量，以此设计相应h 。鲁棒控制器。通过直接设计控制器传递函数， 满足鲁棒稳定条件和运行性能。该方法考虑了在线控制器对脉动风速系统建模的实 际，为风力机建模和鲁棒控制提供了一种新方法。文献 4 1 采用日。混合灵敏度鲁棒 控制方法控制风力机转速，可以提高风能转换系统转速控制的抗干扰能力，进而获 8 华北电力大学硕士学位论文 得最大风能捕获的快速性和稳定性，提高发电效率。 ( 5 ) 自适应控制 文献 4 2 应用l y a p u n o v 方法导出监督控制器的形式和神经网控制器的自适应 率，解决了困扰传统线性控制中的参数变化和模型不确定的非线性问题，改善了发 电效率。文献 4 3 应用径向基函数神经网的自适应输出反馈控制器，可以改善与无 穷大电网并联运行的风电机组动态稳定性。文献 4 4 基于独立运行的风能系统模型， 采用一步超前自适应控制方法控制发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，应用最小 方差自校正方法得到控制律，试验表明在负载与风速变化时，控制方法具有可靠快 速响应和有限的最大跟踪误差，尤其适于非线性时变系统。风机起动的平稳性、塔 影效应、气动力引起的转子振荡都会引起输出功率波动，自适应系统管理方法2 1 ，可 有效减低此类效应，保证功率波动不超过5 。文献 4 5 应用非线性自适应控制理论 对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励 磁绕组电压，可获得平稳渐进的转子速度跟踪，进而达到最大风能捕获的目的。文献 4 6 采用模型参考自适应方法研究无刷双馈风力发电系统的性能优化控制。直接模 型参考自适应控制应用在变桨距风力机组中时h 7 1 ，额定风速以上的控制性能较佳， 但风速急剧变化时会产生振荡。额定风速以下可跟踪次最佳模型。变论域自适应模 糊控制在规则形式不变的前提下，论域随误差而变，当用来控制风能转换系统的转 速和桨距时“引，可以改善风能转换系统控制性能，增加捕获风能，且有较高的控制精 度。基于模糊自适应p i d 控制算法的d s p - p c 双重控制结构h 们，可用以实现风力发电 系统的信号检测及控制，效率高，适应性强，可进一步推广到大功率发电系统。 ( 6 ) 专家系统 文献 5 0 3 采用计算机分布式控制系统，嵌入专家系统智能控制策略，实现并网 风电机组无人值守全自动运行：并网、脱网、运行及保护控制。文献 5 1 针对不同 风况下风力发电机的并网过程有相应并脱网控制策略，根据测取的实时风速、转速 功率等数据，经过简短的推理和查找控制参数表快速准确决定控制输出。文献 5 2 通过输出功率及发电机转速的关系，建立电机并脱网操作的控制规则集，根据简短 的推理规则和有关实测参数，应用可编程控制器快速准确地执行控制操作，较好地 实现了各种风况下的平稳并脱网。文献 5 3 结合模糊控制方法的风力发电系统故 障诊断专家系统设计，应用数据库的奇偶编号、推理机的模糊推理判断以及学习机 制的机械学习，增强了故障诊断系统的智能性。 ( 7 ) 反馈线性化解耦控制 基于微分几何的反馈线性化可在大范围内实现精确解耦线性化，从而可用线性 9 华北电力大学硕士学位论文 最优控制方法实现最大风能捕获和改善系统的动态特性。文献 5 4 以风力机桨距角 和触发角作为输入控制信号，采用微分几何精确线性化理论，实现了恒速风力机在 额定风速以下时的功率调节的二次最优控制。这种方法是建立在非线性项的精确对 消上，反馈控制算法复杂，要求精确测量的参数较多，参数摄动对控制系统性能会 造成影响。 1 3 3 风力发电机组的滑模变结构控制方法 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多 变量非线性不确定系统。滑模变结构控制器在处理强非线性、强扰动对象的突出优 点使其应用在风力发电系统成为可能。 大型风力发电机组都有很大的机械惯性，而风轮与异步发电机之间通过一个增 速齿轮箱耦合在一起，刚性较差。随机风、塔影效应、湍流、风切变等扰动的存在， 会在风机转矩中附加一个准周期性的脉动转矩，造成风电机组的低频振荡，振荡的 频率由桨叶数及转速决定，可能会引起机组共振，损坏传动齿轮箱，导致输出电功率 波动，甚至引起电网闪烁。发电机转矩是旋转角速度及逆变器导通角的函数，文献 5 5 采用滑模控制方法控制逆变器导通角，使风机转速跟踪风速波动，实现最大风 能捕获，通过转速反馈，为转矩振荡提供足够的阻尼转矩。滑动模闭环控制系统对 发电机参数的不确定及电网电压的波动具有完全的鲁棒性。变速运行的双馈电机风 力发电系统可最佳跟踪风速变化，实现最大风能捕获，但风速变化越快，速度跟踪越 好，机械传动链中的转矩波动也就越大，必须妥善解决风速跟踪与转矩平滑之间的 关系。文献 5 6 所采用的滑动模控制方案不仅能够保持最佳叶尖速比运行，而且对 参数的不确定鲁棒性好。风力机工作于正常和失速两种模态，文献 5 7 对感应发电 机系统以功率相对误差作为切换面，对两种模态分别采取不同的滑动模控制结构， 实现了在风速扰动和不确定机械、电气参数条件下频率的无差跟踪和风能最大捕 获。文献 5 8 以转矩为控制信号，采用积分型滑动模态控制律，有效地解决了滑动 模的切换抖动。针对风力发电机组工况的频繁切换特性，文献 5 9 采用风力发电机 组在工况点处的线性化模型，提出了风力机的线性切换控制，明显改善了机组性能。 滑模变结构控制在风力发电系统中的应用并不很多，国内尚未发现有研究的记 录。对于实际风力发电系统，其运行状况受外界的影响很大，结合其他控制技术如模 糊控制的混合滑动模控制是以后主要的研究应用方向。 1 4 论文的主要研究内容 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料 1 0 华北电力大学硕士学位论文 学等多学科的综合性高技术系统工程。目前，风能发电领域的研究难点和热点集中 在风电机组大型化、先进控制策略和优化技术等方面。由于风能具有能量密度低、 随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，控制技 术是风力发电机组安全高效运行的关键。本文在对风力发电系统的数学模型和控制 理论进行深入研究的基础上，应用模糊滑模变结构控制理论，克服系统的参数变化 和外界扰动的不良影响，以实现具有一定自适应能力的高性能风力发电系统控制。 主要工作如下： ( 1 ) 介绍滑模变结构控制理论的基本概念、发展状况和存在的问题。阐述了滑 模控制与模糊控制相结合的意义和优点。 ( 2 ) 克服传统的滑模变结构控制方法存在的局限性，提出了一种积分模糊滑模变 结构控制策略。用一个不含零点且符合系统性能要求的辅助输出函数替代原系统的 输出函数，从而避免了原系统模型中零点的影响；在选取的滑模面中加入积分因子， 用以确保系统稳态误差为零；在不确定参数上界未知情况下，根据滑模到达条件， 利用模糊规则估计出控制律中的切换增益，同时用饱和函数替换切换函数，减轻控 制器输出的高频震荡现象。将此控制策略应用于具有不确定性和多干扰特点的变速 风力发电系统，仿真结果表明了该控制策略具有良好的控制品质和很强的鲁棒性。 ( 3 ) 针对变桨距风力发电机组的桨距角控制，基于反馈线性化方法，结合自适应策 略的模糊控制方法，设计自适应模糊滑模控制器，在被控对象数学模型未知的情况下， 也可达到有效控制。仿真结果表明：自适应模糊滑模控制系统运行平稳，具有良好的动 态特性及对风速扰动的鲁棒性，能够有效改变桨距角控制效果。 ( 4 ) 利用滑模控制的概念和l y a p u n o v 综合方法提出一种针对一类非线性系统的积分 自适应模糊滑模控制方法。不同于已有的基于滑模的模糊控制器设计方法( 利用模糊系 统直接替代滑模控制律) ，利用模糊系统分别去逼近滑模控制律中的等效控制项和切换 控制项。给出了模糊规则后件参数的自适应学习方法。同时证明了参数自适应律能够确 保系统对给定参考输入的稳定渐近跟踪性能。所提出的方法减轻了滑模控制中的抖振现 象。将此控制策略应用于变速风力发电系统中，仿真研究表明即使在缺少系统先验知识 和不确定性干扰的情况下，系统性能也十分理想。 华北电力大学硕士学位论文 第二章模糊滑模控制理论概述 2 1 滑模变结构控制理论简介 2 1 1 滑模变结构理论的提出 二十世纪五十年代由前苏联学者e m e l y a n o v 提出的变结构控制( v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 这一概念，以其独特的优点，为不确定性系统提供了一 种很有前途的控制系统综合方法。“变结构 一词意味着控制器的结构可能会发生 变化。从广义上看，目前变结构系统主要有两类：一类是具有滑动模态的变结构系 统，另一类是不具有滑动模态的变结构系统。一般变结构系统均指前者，这是由于 具有滑动模态的变结构系统不仅对系统的不确定性因素具有较强的稳定鲁棒性和 抗干扰性，而且可以通过滑动模态的设计获得满意的动态品质，同时控制简单，易 于实现，所以基于滑动模态的变结构控制系统在国际上受到了广泛重视。本文所研 究的变结构控制系统均指具有滑动模态的变结构控制系统。 变结构控制系统的原理在于；当系统状态穿越状态空间的滑动超平面时，反馈 控制的结构就发生变化，从而使系统性能达到某个期望指标。由此可以看出，变结 构控制系统能够通过控制器本身结构的变化，使得系统性能保持一直高于一般固定 结构控制所能达到的性能，突破了经典线性控制系统的品质限制，较好地解决了动 态与静态性能指标之间的矛盾。 2 1 2 滑模变结构控制的基本概念 为了说明滑模变结构控制系统的基本原理， 线性时不变系统： 毫一x 2 也一毛 毛_ 一善口t 而一6 比 其中，a ，b 为己知定常参数。 变结构控制具有以下不连续形式： 】2 考虑下面相变量形式的单输入刀阶 ( 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 “ ，5 e ：至三葚；二： ( 2 - 2 ， 其中：h + o ) u - 0 ) ，并且控制律的选择要满足如下的到达条件 u m i o ) 0 ( 2 3 ) j o ) 一0 + s ( x ) - - o 一 其中函数s o ) 被称为滑模切换函数或切换函数，这里定义为状态向量的线性函数 s ( x ) = c l x x + c 吃+ + c j 1 毛1 + k ( 2 - 4 ) 在忍维相空间中，变结构控制中的滑动超平面为( h u n gj y e ta 1 ，1 9 9 3 ：u t k i n a n dy a n g ，1 9 7 8 ) c 1 五+ c z x 2 + + c - - 1 吒一1 + 一0 ( 2 5 ) 由于状态方程( 2 - 1 ) 为相变量形式，所以为了保证滑动模态阶段的稳定性， 对于参数c l ，c 2 ，q l 的选择只需使特征方程p ”1 + 乞一l p ”2 + + c 2 p + c l 一0 的所 有特征根均具有负实部即可。 在滑动模态阶段，切换函数s ( x ) = 0 ，从而可以得到 一一c l 五一c 吃一一c - 一1 k l ( 2 6 ) 因此系统在滑动模态阶段的状态方程 南t 屯 岛一而 ： 毫- l 一c l 五一一- c 一1 - l ( 2 7 ) 可以看出以阶状态方程( 2 - 1 ) 在滑动模态阶段的动态行为可以由刀一1 阶的状态 方程( 2 - 7 ) 来完全表征，并且此时系统的动态特性是完全独立于系统参数的。 当系统状态穿越滑模面s ( x ) = 0 ，进入s ( x ) o 从而形成了滑 动运动。这里，我们仅为了能够形象的说明问题，给出了一个二阶系统状态轨迹示 意图，如图2 1 所示。 从上面