基于模糊pid控制器风力发电偏航控制系统设计

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1、基于模糊PID控制器风力发电偏航控制系统设计　　摘要：为了保证风力发电机组发挥最大效能，机舱必须准确对风，只有风力发电机叶轮法线方向与风向一致时，风机吸收的功率最大。当风向改变，风向角与偏航角的差值超过允许误差范围时，对风偏航系统必须执行及时准确的校正动作。但是由于偏航系统具有惯性大、非线性的特点，一般的PID很难达到较好的控制效果，因此文章设计了一种基于模糊PID控制器的风力发电偏航控制系统。关键词：风力发电；模糊控制；PID中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）30-0016-

2、031偏航系统构成偏航系统能对风向变化进行识别，并进行自动对风；偏航电机采用软启动方式并装有减速器，减少启动电流的冲击，使启动过程平稳，延长电机使用寿命；此外还有扭缆保护装置、可靠的执行电路、叶轮锁定装置，来提高风机的可靠性。当系统检测到风速大于切出风速时，偏航系统执行90°侧风操作，从而起到保护风轮的作用。偏航过程中采用异步电机作为执行机构，当对风结束时进行机械抱闸使其停止偏航。偏航系统控制结构图如下图1所示：62偏航方向判别策略如图2，风向角α的范围是-180°～180°，定义正北方向为风向角0°方向。风向从正北方

3、向顺时针变化时，风向角正向增加，正南方为180°方向；风向从正北方向逆时针变化时，风向角反向增加，正南方为-180°方向。如图3，偏航角γ的范围是-1800°～1800°，定义正北方为偏航角0°方向。机舱顺时针旋转时，偏航角正向增加（右偏航）；机舱逆时针旋转时，偏航角反向增加（左偏航）。把风向角与偏航角的差值（记作θ，即θ=α-γ，取θ的范围为-1260°～1260°），在对风控制过程中，要选择合理路径，即需要机舱以最短路径跟随风向变化，可遵循以下两条规则：（1）机舱顺时针偏转角度与逆时针偏转角度存在关系式：顺时针偏转

4、角度=360°-逆时针偏转角度即机舱可按顺时针或逆时针两种方向偏转跟踪风向实现对风的目的，本设计中为了缩短对风时间，提高效率，选择偏转角度小的方向（顺时针方向/逆时针方向）进行偏转。（2）θ与θ±360°×n（n=0，1，2，3）机头的偏转路径一样。6由以上分析给出偏航方向判别表，见表1，其中：n为扭缆的圈数，可以通过计数传感器进行测量。当检测到机头方向与风向角差值超过设定角度（5°），风力发电机组将执行偏航对风，当此角度达到设定角度（1°）之内时，风力发电机组停止偏航。风力发电机组连续地检测风向角变化，并计算单位时间

5、（10min）内平均风向，然后根据平均风向判断是否需要偏航，防止在阵风扰动下的频繁偏航。当偏航条件具备时，风力发电机组释放偏航刹车，偏航电动机动作执行偏航任务。3偏航控制的控制算法采用模糊PID控制器能够选择合适的，克服风机起停过程中大惯性的影响，加快偏航响应速度。偏航控制系统框图如图4所示：比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性的被控对象存在静差。加入积分调节后积分，虽然可以消除静差，但其代价是降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但要对偏差量作出反应，而且要按偏差的变化趋势进行控

6、制，使偏差在萌芽状态被抑制。因此为了达到控制目的，首先要选择PID控制。6用模糊自适应整定PID控制对偏航机构进行控制，具体方法是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断地检测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动静态性能。模糊控制系统的组成如下图5所示：PID参数整定必须考虑到在不同风向角与偏航角时三个参数的作用以及相互之间的互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针

7、对三个参数分别整定的模糊控制表。首先建立的模糊控制规则表，再根据如下方法进行的自适应校正。将e和ec的变化范围定义为模糊集上的论域。其模糊子集为，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设e、ec和均服从三角函数分布，因此可以得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算。其中为修正后的参数值，为修正前的参数值。运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的自校正。4偏航控

8、制的实现6模糊自适应PID控制器的实现方法是，先在PLC存储器中根据模糊规则建立模糊规则表，再通过输入进行查表确定并经过矫正后得到参数。再将参数送到“PID-Compact”指令中，其输出值即为控制量。具体步骤如下：（1）在Matlab中，打开模糊推理编辑器，并将编辑abc.fis文件。建立偏差e、偏差变化率ec和控制输出量的隶属