自然風(fēng)速的隨機(jī)性和風(fēng)電機(jī)組的強(qiáng)非線性使風(fēng)機(jī)輸出功率不穩(wěn)定。風(fēng)速低于額定值時(shí)，機(jī)組的控制目標(biāo)為最大風(fēng)能捕獲^[1]；風(fēng)速高于額定值時(shí)，通過(guò)槳距角的調(diào)節(jié)，改變風(fēng)能利用系數(shù)，使輸出功率恒定^[2]。參考文獻(xiàn)[3]采用微分幾何將風(fēng)電模型線性化再結(jié)合H∞控制理論設(shè)計(jì)恒功率控制器，參考文獻(xiàn)[4]將微分幾何線性化與極點(diǎn)配置結(jié)合設(shè)計(jì)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(fēng)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(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)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(fēng)電系統(tǒng)，性能良好。

1 風(fēng)電機(jī)組模型

    風(fēng)力機(jī)模型：

其中：

    由(1)、(5)可知該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

    當(dāng)風(fēng)速在額定值之上時(shí)，控制目標(biāo)是輸出恒功率。把風(fēng)機(jī)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(fēng)能的利用系數(shù)，將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在額定值附近，則輸出功率限定在額定值。風(fēng)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(fēng)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(jì)

    由式（14）知這是一個(gè)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)實(shí)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(yǔ)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(yǔ)言變量E選取7個(gè)語(yǔ)言值分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，由經(jīng)驗(yàn)可得出相應(yīng)隸屬函數(shù)，從而可得出語(yǔ)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(shí)語(yǔ)言變量EC也選取7個(gè)語(yǔ)言值為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，則其語(yǔ)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(yǔ)言變量V也選取7個(gè)語(yǔ)言值分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，則其語(yǔ)言變量的賦值表與EC和E的相同，即表1所示。

    對(duì)所有變量賦值后，下一步是模糊控制表的編寫(xiě)。根據(jù)風(fēng)機(jī)角速度的誤差及誤差的變化率來(lái)確定控制器的輸出。

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

    若風(fēng)機(jī)角速度的誤差與其角加速度的誤差變化趨勢(shì)相反，即角速度為正（負(fù)）而角加速度為負(fù)（正）時(shí)，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(dāng)兩者一個(gè)為正大（中、?。?，而另一個(gè)為負(fù)大（中、小）時(shí)，控制量取為0。

    若風(fēng)機(jī)角速度誤差與角加速度的誤差其中有一個(gè)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(fēng)速在15 m/s～17 m/s之間階躍變化時(shí)的機(jī)組響應(yīng)如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)風(fēng)速階躍增大時(shí)，槳距角也發(fā)生相應(yīng)變化，從15°增加到20°左右。同時(shí)風(fēng)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(fēng)能的捕獲，將風(fēng)機(jī)角速度限定在4.35 rad/s，同時(shí)系統(tǒng)功率限定在600 kW左右。

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

    本文利用微分幾何原理對(duì)強(qiáng)非線性風(fēng)電模型進(jìn)行精確反饋線性化，再結(jié)合模糊理論，設(shè)計(jì)了模糊控制器。在MATLAB中建模并仿真，可知當(dāng)風(fēng)速在額定值以上變化時(shí)，控制器能通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)改變風(fēng)能利用系數(shù)，使風(fēng)機(jī)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(wú)法將輸出功率嚴(yán)格穩(wěn)定在600 kW，故還需改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006

[3] 秦生升，胡國(guó)文，顧春雷，等.風(fēng)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(mèng)麗，等.變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的滑模變結(jié)構(gòu)魯棒控制[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(2)：171-174，186.

[6] 夏長(zhǎng)亮，宋戰(zhàn)鋒.雙饋風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自適應(yīng)模糊控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(3)：574-577.

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