自然風速的隨機性和風電機組的強非線性使風機輸出功率不穩(wěn)定,。風速低于額定值時,，機組的控制目標為最大風能捕獲^[1]；風速高于額定值時,，通過槳距角的調(diào)節(jié),，改變風能利用系數(shù)，使輸出功率恒定^[2],。參考文獻[3]采用微分幾何將風電模型線性化再結(jié)合H∞控制理論設計恒功率控制器,，參考文獻[4]將微分幾何線性化與極點配置結(jié)合設計變槳距控制器。此外,，滑模變結(jié)構(gòu)^[5],、自抗擾^[6]、自適應模糊^[7]等也在風電系統(tǒng)中得到應用,。本文將精確反饋線性與模糊理論有機結(jié)合,，設計變槳控制器并仿真，結(jié)果表明,，該控制器能有效,、迅速地穩(wěn)定不確定風電系統(tǒng)，性能良好,。

1 風電機組模型

    風力機模型：

其中：

    由(1),、(5)可知該風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型為：

    當風速在額定值之上時,，控制目標是輸出恒功率。把風機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,，從而改變風能的利用系數(shù)，將風力機的轉(zhuǎn)速控制在額定值附近,，則輸出功率限定在額定值,。風力發(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 模糊控制器的設計

    由式（14）知這是一個兩輸入單輸出的系統(tǒng),。在該系統(tǒng)中,，狀態(tài)量z₁的物理含義為風力機的轉(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力機實際轉(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。為語言變量E選取7個語言值分別為NB,、NM,、NS、ZO,、PS、PM,、PB,，由經(jīng)驗可得出相應隸屬函數(shù)，從而可得出語言變量的賦值表如表1所示,。

    設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,。同時語言變量EC也選取7個語言值為NB,、NM、NS,、ZO,、PS、PM,、PB,，則其語言變量EC的賦值表與E的相同，即表1所示,。

    設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,。為語言變量V也選取7個語言值分別為NB、NM,、NS,、ZO、PS,、PM,、PB，則其語言變量的賦值表與EC和E的相同,，即表1所示,。

    對所有變量賦值后，下一步是模糊控制表的編寫,。根據(jù)風機角速度的誤差及誤差的變化率來確定控制器的輸出,。

    若風機角速度的誤差與角加速度的誤差變化趨勢相同，都為正大或正中（?。?，意味著風機角速度有繼續(xù)變大的趨勢，所以控制器應輸出負大或負中,，以減小角速度的誤差,，使之趨于額定值,。同理，若風機角速度的誤差及誤差變化率都為負大或負中（?。?，則控制器輸出應為正大或正中。

    若風機角速度的誤差與其角加速度的誤差變化趨勢相反,，即角速度為正（負）而角加速度為負（正）時,，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,。尤其當兩者一個為正大（中,、小）,，而另一個為負大（中,、小）時,，控制量取為0,。

    若風機角速度誤差與角加速度的誤差其中有一個為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)風速在15 m/s～17 m/s之間階躍變化時的機組響應如圖3所示,。由圖3可以看出，當風速階躍增大時,，槳距角也發(fā)生相應變化,，從15°增加到20°左右。同時風能利用系數(shù)減小了,，從0.2減到0.13左右,，從而減少了系統(tǒng)風能的捕獲，將風機角速度限定在4.35 rad/s,，同時系統(tǒng)功率限定在600 kW左右。

    (2)風速在15 m/s～16 m/s之間隨機變化時的機組響應如圖4所示,。由圖4可知,，在隨機風速下，控制器也能將輸出功率控制在額定值600 kW左右,，實現(xiàn)了控制功能,。

    本文利用微分幾何原理對強非線性風電模型進行精確反饋線性化,，再結(jié)合模糊理論，設計了模糊控制器,。在MATLAB中建模并仿真,，可知當風速在額定值以上變化時，控制器能通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風能利用系數(shù),，使風機的角速度和系統(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。但該控制器無法將輸出功率嚴格穩(wěn)定在600 kW,，故還需改進,。

參考文獻

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

[2] 葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006

[3] 秦生升,，胡國文，顧春雷,，等.風力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率非線性H∞魯棒控制[J].控制理論與應用,，2012，29(5)：617-622.

[4] 楊俊華,，鄭儉華,，楊夢麗，等.變槳距風力發(fā)電機組恒功率反饋線性化控制[J].控制理論與應用,，2012,，29(10)：1365-1370.

[5] 郭慶鼎，趙麟,，郭洪澈.1MW變速變距風力發(fā)電機的滑模變結(jié)構(gòu)魯棒控制[J].沈陽工業(yè)大學學報,，2005，27(2)：171-174,，186.

[6] 夏長亮,，宋戰(zhàn)鋒.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流自抗擾控制[J].電工電能新技術，2007,，26(3)：11-14,，19.

[7] 張新房，徐大平,，呂躍剛,，等.大型變速風力發(fā)電機組的自適應模糊控制[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(3)：574-577.

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