低高风速时风力发电机组风轮转速的控制器设计

实验二：低/高风速时风力发电机组风轮转速的控制器设计 姓名：文福西 学号：171440138 班级：0314405

一、实验目标:

1. 掌握低风速时风力发电机组控制实现方法； 2. 掌握模糊控制实现方法；

3. 掌握模糊控制器仿真实现方法； 二、实验内容:

在风力发电机组的仿真的基础上，对低风速时捕获风能进行研究，并提出一种控制策略模糊控制，同时进行仿真的研究并验证其有效性。 三、实验原理：

1.低风速时风力发电机组控制原理

这里说的低风速，是特指低于额定风速。低风速时，风力发电具有启动和运行两种情况。在这里只讨论运行这一种情况。在本次试验中，风力发电的额定转速为1500r/min,风轮的额定转速为19.8r/min，当叶尖速比为最佳叶尖速比时为：

从而得到在最佳叶尖速比时，最大的风速

。

2.模糊控制器的基本结构和设计

模糊控制器也称为模糊逻辑控制器，由于所采用的模糊控制规则是由模糊集合论中模糊条件语句描述的，所以模糊控制器是一种语言控制器。一般的模糊控制器主要是由模糊化，知识库，模糊推理和清晰化等四个部分组成。

模糊控制器的设计主要包括结构的选择，模糊化和反模糊的方法，模糊控制器参数的设定等几个方面。

3.模糊规则的选择和模糊推理

模糊规则的选择包括模糊语言变量的确定，语言值隶属函数的确定和模糊控制规则的建立三个方面。模糊控制规则采用经验归纳法。本实验采用的结构是二维模糊控制器，同时应用负偏差系统制定模糊规则，输入量取误差和误差变化，输出为发电机的控制电压。

四、实验结果与分析：

1.模糊控制器

分析：可以看出在设计中输入隶属函数均采用三角形隶属函数，而输出隶属函数采用高斯型隶属函数。其中七个模糊子集分别为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，对此种结构的模糊控制器，常采用所谓的Mamdani控制规则。而误差变化及控制增量均取七个语言值，为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

模糊推理规则

FCI 模糊规则观察器

FCI 模糊推理输入输出关系曲面

分析：以 If e is PB and △e is NB,then△u is ZO 为例，当偏差为正大（PB），偏差变化率为负大（NB）时，说明被控制量远远小于设定值，但以较大的速度减小偏差，因此可以保持当前的比例系数，因此模糊推理输出为零（ZO）。再以规则 If e is PB and △e is PB,then△u is PB 为例，当偏差为正大（PB），偏差变化率为正大（PB）时，说明被控制量远远小于设定值，并且以较大的加速度加大偏差，因此应该最大幅度的加大比例系数，以达到迅速减小偏差的目的，此时系统的输出为正大（PB）。

2.低风速时风轮转速控制系统 仿真如下：

fengsumodelVwPsScope6wTr1s+1Transfer Fcn1max0.15MinMax0BCp1PsScope1fengjimodel1Trwr1ProductU1TeWGTe2wScope5690Addfadianjiflju1chuandongxitong1Product1Scope7-K-Gain110.5sTransfer Fcn210.51Gain212Gain3Fuzzy Logic Controller10Gain4

风轮转速

4540353025201510500100200300400500600

风速的波形如下：

50403020100-100100200300400500600

风轮转速波形图分析可得，风轮转速是随着风速的增加而增加的。当风轮运行在较高转速下，对于低风速来说功率输出较大，同样说明风能的利用系数比较大，当风轮在较低转速下，对于低风速来说有功输出降低，此时风能的利用系数比较小 滤波后输出功率波形：

4x 1073210-1-20100200300400500600

输出功率

2x 1081.510.50-0.5-10100200300400500600

分析：它基本上实现了风能最大能量的获取，整体仿真功率系数基本维持在最大值 0.44 附近。但是由图可以看到，功率系数还是略小于最大值。和前几个图比较就可以发现，随着风速的增大，风轮转速也随着增大，叶尖速比亦成增大的趋势，从而使叶尖速比超过了最佳值，反而使功率系数降低。其原因是风轮的转动惯量太大，从而在调比超过了最佳值，反而使功率系数降低。 功率系数

0.140.120.10.080.060.040.0255.566.577.588.599.510

由功率系数图分析可得，功率系数随时间不断降低，在减低的过程中，风力机的功率基本上稳定在0.44x10^6左右。

3.高风速时风轮转速控制系统的仿真

fengsumodelVwPsScope6[A]From0.15MinMax[C]From2maxwTr1s+1Transfer Fcn11PsScope1BCpfengjimodel1Trwr1ProductU1TeWGTe[A]Goto1[B]Scope5690fadianjiflju1chuandongxitongProduct1Goto1Scope3-K-Gain21Constant1-K-Gain1sIntegrator0Constant40.8Fuzzy Logic ControllerGain45Gain31sIntegrator1[C]Goto2-5Gain5[B]From1du/dtDerivative0.5Gain1 风速的波形如下：

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