引言

　　目前，風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點集中在風(fēng)機(jī)大型化、近海風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制策略和優(yōu)化等方面。風(fēng)力機(jī)變速?變槳距調(diào)節(jié)方式是風(fēng)能收集和轉(zhuǎn)換的兩種主要功率調(diào)節(jié)方式，也是當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究的熱點[1-8]。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速的情況下，主要采用變速調(diào)節(jié)方式，即通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換功率；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，采用變槳距調(diào)節(jié)方式，即通過調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率基本上等于額定功率。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速較低，在風(fēng)速超過其額定風(fēng)速時發(fā)電機(jī)組的出力也不會下降，始終保持在接近理想水平，提高了發(fā)電效率。同時，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片較薄，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，易于制造大型發(fā)電機(jī)組。因此，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變速?變槳距技術(shù)[9-10]。

　　對于兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變速?變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計要滿足驅(qū)動力大、有足夠的強(qiáng)度和精度等要求。液壓控制系統(tǒng)剛度大，輸出位移量受負(fù)載影響小，定位準(zhǔn)確，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，系統(tǒng)頻帶寬，因此選用液壓系統(tǒng)作為變槳距的動力系統(tǒng)。但是，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征[11-12]。同時，由于風(fēng)能具有能量密度低、隨機(jī)性和不穩(wěn)定性等特點，所以風(fēng)力機(jī)是一個復(fù)雜多變量的非線性不確定系統(tǒng)。因此，采用可靠的控制技術(shù)是機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵[5-7]。針對風(fēng)力機(jī)具有的這一特性，采用模糊滑模控制，可以充分利用其非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等功能，克服風(fēng)電系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素。因此，模糊滑模控制非常適合于兆瓦級風(fēng)力機(jī)的控制[2-5]。

　　文獻(xiàn)[1-5、12-13]對模糊控制做了詳細(xì)闡述，文獻(xiàn)[14]對滑模控制做了較詳細(xì)闡述，但都沒有把二者結(jié)合起來給出進(jìn)一步的數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果。本文把模糊控制策略和滑模變結(jié)構(gòu)控制策略結(jié)合起來，應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組控制器的設(shè)計當(dāng)中。另外，選擇不同坐標(biāo)系和不同定向矢量所得到的發(fā)電機(jī)模型是不同的。文獻(xiàn)[15-20]都對此做了詳細(xì)研究，但是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)比較復(fù)雜，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。為此，本文建立了一個更加簡潔、有效的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，結(jié)合模糊滑模控制設(shè)計得到了整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速?變槳距控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用Matlab/Simulink軟件完成了對整個風(fēng)電機(jī)組的仿真分析。

　　1  風(fēng)力機(jī)特性

　　變速－變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電網(wǎng)、控制器、變換器7個部分構(gòu)成。

　　3  模糊滑模控制策略

　　3.1  模糊滑模控制器

　　模糊控制最大特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素影響，對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。但是模糊控制器參數(shù)需經(jīng)過反復(fù)試湊才能確定，缺少穩(wěn)定性分析和綜合方法。

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性魯棒控制方法，它主要用于處理建模的不精確性。滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)即使模型不精確，也能良好的維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。但是實際的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于切換開關(guān)非理想等因素影響，使滑動模態(tài)產(chǎn)生高頻抖振，這就是變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的“抖振”問題。模糊控制和滑模控制各有優(yōu)缺點，二者結(jié)合就構(gòu)成模糊滑模控制器，如圖3所示。

　　本文根據(jù)風(fēng)速大小設(shè)計了2個模糊滑模控制器：風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用模糊滑模變速控制器，目的是獲得一個最佳風(fēng)能系數(shù)，從而最終獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用模糊滑模變槳距控制器，通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率基本保持不便，恒等于額定功率[1-4]。

　　5  結(jié)論

　　針對1.5 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行變速－變槳距控制策略分析與仿真研究。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)定子q軸磁場定向建模，簡化了發(fā)電機(jī)模型，控制研究變得相對簡單。

　　另外，由于整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具有嚴(yán)重的非線性特征，傳統(tǒng)的控制方法不適合。采用模糊滑模控制方法分別控制速度和槳距，經(jīng)過仿真，結(jié)果顯示模糊滑模控制方法的使用可以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，彌補(bǔ)由于系統(tǒng)非線性造成的控制不確定性，使整個系統(tǒng)的魯棒性好。