風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制技術(shù)

劉曉燕，張仁光

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源的重要組成部分，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用與推廣。然而，由于環(huán)境和氣象條件的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中存在著一系列的挑戰(zhàn)與問題。其中之一就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的穩(wěn)定控制，這直接影響著發(fā)電效率和受電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，全功率變頻器扮演著非常重要的角色，其是將電能轉(zhuǎn)換為恒定頻率的電力輸出的裝置，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能，確保電力輸出的穩(wěn)定性和高效性。此外，增益自動(dòng)控制作為一種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方法，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)速度和靈活性，使其能夠更好地應(yīng)對(duì)不斷變化的風(fēng)能條件，根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整變頻器的增益（即放大倍數(shù)），以確保電力輸出的穩(wěn)定性和高效性[1]。因此，為了解決風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定性的問題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制技術(shù)的研究逐漸被廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種用于接收端變換器的AGC 技術(shù)。將一個(gè)電壓比較器加入接收機(jī)變頻器中，利用該電壓比較器來獲得一個(gè)誤差信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)的增益誤差值進(jìn)行計(jì)算并輸出。利用一個(gè)錯(cuò)誤的定標(biāo)器來對(duì)誤差值進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生一個(gè)增益控制信號(hào)。在這個(gè)過程中，當(dāng)一個(gè)環(huán)路濾波器在探測(cè)到這個(gè)增益控制信號(hào)之后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部處理，從而對(duì)其增益變化進(jìn)行控制。但該方法采用的環(huán)路濾波器會(huì)引入一定的延時(shí)，特別是在對(duì)系統(tǒng)快速變化的需求響應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生滯后性，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能下降。文獻(xiàn)[3]通過將數(shù)字仿真模型與全功率牽引平臺(tái)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)測(cè)試的方式，構(gòu)建出了一個(gè)風(fēng)電機(jī)組的全功率測(cè)試平臺(tái)。利用多體動(dòng)態(tài)的線性變參數(shù)（LPV）建模技術(shù)，對(duì)葉片、塔式結(jié)構(gòu)等柔性構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化建模，并將所得到的高準(zhǔn)確度的模擬信號(hào)用作控制的輸入。在驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上，以仿生風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的控制。但該方法是通過離散化的數(shù)學(xué)模型來模擬連續(xù)時(shí)間的系統(tǒng)行為，其中可能存在近似和離散化誤差，從而顯著影響模型的準(zhǔn)確性。

本研究提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制技術(shù)。通過引入孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)判別器，該判別器能夠?qū)⑻卣饔成涞街付ňS度的特征向量空間中，利用度量學(xué)習(xí)方法計(jì)算兩個(gè)特征向量之間的相似程度，準(zhǔn)確判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率是否發(fā)生波動(dòng)，從而有效地處理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率波動(dòng)的判定問題。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率波動(dòng)的控制需求，采用具有較強(qiáng)的抗擾性和魯棒性的免疫PID 算法進(jìn)行增益自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)更好地適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的不穩(wěn)定性。

1 全功率變頻器原理與結(jié)構(gòu)

全功率變頻器是一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[4]的控制裝置，研究其結(jié)構(gòu)和原理有助于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率穩(wěn)定性和電網(wǎng)響應(yīng)能力。該變頻器通常由電力模塊、控制模塊和觸摸屏顯示模塊組成，全功率變頻器的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 全功率變頻器結(jié)構(gòu)

圖1 中的電力模塊主要包括整流單元和逆變單元，其中，整流單元將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并通過濾波電路消除諧波和干擾，逆變單元?jiǎng)t將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率、可調(diào)幅度的交流電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出?？刂颇K負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)和電網(wǎng)需求，根據(jù)信號(hào)反饋進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。觸摸屏顯示模塊為操作員提供直觀的界面，方便對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和故障診斷。

全功率變頻器的原理是通過調(diào)節(jié)變頻器的增益參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的靈活調(diào)節(jié)。通過采集風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)需求等信息，控制模塊可以實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的增益參數(shù)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與電網(wǎng)需求保持匹配。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加或減少時(shí)，全功率變頻器可以快速調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中容易受到風(fēng)速的變化和負(fù)載的波動(dòng)影響，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)較大。為了優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，使得可以在不同風(fēng)速和負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)最佳輸出功率調(diào)節(jié)，提高其發(fā)電效率，并減少功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。通過監(jiān)測(cè)功率波動(dòng)程度，可以及時(shí)感知系統(tǒng)的變化情況，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。采用模糊免疫PID 控制器可以更好地適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜、非線性以及擾動(dòng)較大的工作環(huán)境，由此提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和魯棒性，實(shí)現(xiàn)全功率變頻器增益自動(dòng)控制，從而具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2.1 功率波動(dòng)程度的判斷

由于風(fēng)能的變化是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，甚至可能對(duì)電力系統(tǒng)造成負(fù)面影響。通過對(duì)功率波動(dòng)程度進(jìn)行判斷，可以更好地了解風(fēng)能的波動(dòng)特性和變化規(guī)律，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更好地跟蹤風(fēng)能的變化，自動(dòng)調(diào)整全功率變頻器的增益，以保持電力輸出的穩(wěn)定性和高效性。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的功率變化在正常波動(dòng)范圍之內(nèi)時(shí)，則無需調(diào)整，但當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的功率變化超過正常波動(dòng)范圍時(shí)，需要進(jìn)行額外的調(diào)整和干預(yù)，以保持電力輸出的穩(wěn)定性和高效性。為此，提出了一種新的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的波動(dòng)性進(jìn)行判定，設(shè)計(jì)一個(gè)判別器如圖2 所示。

圖2 功率波動(dòng)程度判別器

在正常運(yùn)行情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，而波動(dòng)過大可能表示系統(tǒng)存在故障或異常。通過比較風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率信號(hào)之間的相似程度，可以評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際功率變化與標(biāo)準(zhǔn)功率范圍的一致性。如果相似程度較高，則說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)；而如果相似程度較低，則意味著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率波動(dòng)超出了預(yù)定的限制，需要對(duì)其波動(dòng)性調(diào)整。相似程度計(jì)算公式如下：

式中，mi代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率信號(hào)樣本的第i維度特征向量；ni代表波動(dòng)允許范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)功率信號(hào)樣本的第i維度特征向量。

2.2 模糊免疫PID 增益自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

免疫PID 算法[5]是一種基于免疫系統(tǒng)思想的PID控制算法。該算法通過借鑒免疫系統(tǒng)自適應(yīng)性、魯棒性和記憶能力等特性，提高了PID 控制算法在抗干擾和自適應(yīng)性方面的性能。模糊免疫PID 設(shè)計(jì)增益自動(dòng)控制器的作用是在免疫PID 算法的基礎(chǔ)上，通過引入模糊控制，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)增益的自動(dòng)調(diào)整。由于傳統(tǒng)的PID 控制器需要手動(dòng)調(diào)節(jié)增益參數(shù)，對(duì)于復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器，其工作環(huán)境和工況常常變化多樣。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)的控制器對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且精確控制很重要。模糊免疫PID 設(shè)計(jì)增益自動(dòng)控制器能夠自適應(yīng)地調(diào)整增益參數(shù)，不需要頻繁地手動(dòng)調(diào)試和調(diào)整，大大降低了控制系統(tǒng)的工程難度和人為誤差。該控制器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 模糊免疫PID 增益自動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)

為了提高變頻器的控制性能，使其在不同運(yùn)行條件下都能保持良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。利用模糊免疫自適應(yīng)PID 控制器結(jié)構(gòu)，將增益自動(dòng)控制公式表示如下：

式中k、k1、k2分別代表控制結(jié)構(gòu)中的非線性函數(shù)、激勵(lì)函數(shù)以及抑制函數(shù)，f代表抑制參數(shù)，△r代表抗原數(shù)量，λ代表刺激后輸出的細(xì)胞參數(shù)。

由于非線性干擾造成的控制誤差無法得到及時(shí)的修正，為此需要對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，通過優(yōu)化參數(shù)可以改善控制系統(tǒng)對(duì)增益自動(dòng)控制的響應(yīng)速度，減小控制誤差的持續(xù)時(shí)間，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，盡量減小系統(tǒng)在受到非線性干擾時(shí)的振蕩現(xiàn)象。優(yōu)化過程如下所示：

步驟1：在處理最優(yōu)參數(shù)時(shí)，重新對(duì)隱藏中心、標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)以及輸出的權(quán)重編碼操作，并將其表達(dá)為矢量，將隱藏中心記作Q；標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)編碼為Y1Y2…Yn；權(quán)系數(shù)編碼為；

步驟2：對(duì)每個(gè)微粒尋找歷史最好的位置，計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)均值，不斷更新位置，表示為：

步驟3：對(duì)當(dāng)前條件判斷，如果達(dá)到停止條件，則保留當(dāng)前信息，返回當(dāng)前適應(yīng)度值；

步驟4：通過上述迭代后，利用模糊免疫PID 增益自動(dòng)控制器輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)變頻器增益自動(dòng)控制，表達(dá)式為：

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的控制方法在實(shí)際中是否具有有效性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同場(chǎng)景下都具有實(shí)際應(yīng)用的潛力，在強(qiáng)風(fēng)、風(fēng)速突變或傳感器噪聲等復(fù)雜情況下，可以揭示控制方法的魯棒性和穩(wěn)定性，因此，選擇裝機(jī)容量為1500 W 的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，利用Yokogawa WT1800 信號(hào)的功率分析儀采集10 s 內(nèi)一段功率信號(hào)作為系統(tǒng)測(cè)試樣本，該樣本如圖4 所示。這是橫河電機(jī)（Yokogawa）公司生產(chǎn)的一款多功能功率分析儀，該設(shè)備具有廣泛的測(cè)量功能，能夠測(cè)量電流、電壓、功率、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)，并配備了高精度測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理軟件。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率信號(hào)樣本

利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制（簡(jiǎn)稱“研究方法”）、基于AGC 技術(shù)的自動(dòng)控制方法（簡(jiǎn)稱“文獻(xiàn)[2]方法”）以及基于多體動(dòng)態(tài)線性變參數(shù)的自動(dòng)控制方法（簡(jiǎn)稱“文獻(xiàn)[3]方法”）對(duì)圖4 完成控制，得到處理結(jié)果如圖5～圖7 所示。

圖5 研究方法的控制結(jié)果

圖6 文獻(xiàn)[2]方法的控制結(jié)果

圖7 文獻(xiàn)[3]方法的控制結(jié)果

從圖5 中可以看出，經(jīng)過平抑后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，由此說明所設(shè)計(jì)技術(shù)是有效的。這是因?yàn)樵陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率波動(dòng)控制中，免疫PID 算法相比傳統(tǒng)PID 算法具有更強(qiáng)的抗擾性和魯棒性，該算法能夠更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化和系統(tǒng)擾動(dòng)，提供更穩(wěn)定和可靠的控制效果。

4 結(jié)語

本研究提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制技術(shù)。該技術(shù)能夠準(zhǔn)確地判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率是否發(fā)生波動(dòng)，并基于此使用免疫PID 算法進(jìn)行增益自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率波動(dòng)，保持功率在±0.5 kW 范圍內(nèi)。

該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器增益自動(dòng)控制技術(shù)具有廣闊的研究前景。首先，該技術(shù)能夠提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，進(jìn)一步提高其發(fā)電效率和可靠性。其次，隨著可再生能源需求的不斷增長，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化控制需求也日益迫切。因此，該技術(shù)的研究將推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的智能化和自動(dòng)化發(fā)展。