基于模糊控制的智能風(fēng)力發(fā)電機機艙控制的研究

　　能源危機的出現和環(huán)境保護意識的增強，使人們對新型的無(wú)污染的能源有了更加強烈的要求，而風(fēng)力發(fā)電就是在這個(gè)大的趨勢下逐漸進(jìn)入人們的視野。從定漿距到變漿距、雙饋調速控制方式的引入，無(wú)一不是為了提高風(fēng)能的利用率。人們對風(fēng)機進(jìn)行有效控制時(shí)，不論是利用經(jīng)典控制方法還是利用現代控制方法，由于它們均須進(jìn)行模型的建立，而風(fēng)速和風(fēng)向的隨機性、空氣動(dòng)力學(xué)的不確定性，使風(fēng)機機艙模型的建立有一定的困難，而機艙的自適應追隨風(fēng)力和風(fēng)向是增大風(fēng)電機的效率和功率的前提，在這中前題下智能控制正好避開(kāi)數學(xué)模型的建立，對于多變量非線(xiàn)性的風(fēng)機的控制有很好的效果。

　　1、 風(fēng)力發(fā)電機機艙的旋轉工作原理

　　現在使用的風(fēng)力發(fā)電機由于控制方式的不同，如雙饋調速控制、失速控制等，在進(jìn)行風(fēng)能的撲捉時(shí)，其調整機艙的機構有著(zhù)區別，但是其原理是一樣的，大家都通過(guò)風(fēng)速儀和風(fēng)向標把得到的信息從機艙頂部傳到風(fēng)機底部的CPU板上，通過(guò)模數量的轉化，把數字量輸入到中央處理單元，讓中央處理單元分析和處理是否進(jìn)行調整偏航馬達的運行，利用動(dòng)力機構（最常用的液壓機構）調整發(fā)電機機艙的姿態(tài)，使風(fēng)輪葉片始終朝著(zhù)迎風(fēng)的方向，以保證風(fēng)力發(fā)電機在運行時(shí)能夠充分利用已有的風(fēng)力資源；或者當風(fēng)速超過(guò)額定的最大風(fēng)速時(shí)，進(jìn)行偏航剎車(chē)馬達的運行、或者直接進(jìn)行90°偏航，以保證風(fēng)力發(fā)電機能夠正常安全的運行；而當風(fēng)速太小時(shí)，為了防止風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電，不如他的轉子勵磁從電網(wǎng)上吸收的電能，也要進(jìn)行脫離電網(wǎng)的處理，已節約電網(wǎng)上的電力資源。這種方法需要把風(fēng)力資源的信息風(fēng)向和風(fēng)速反饋到風(fēng)力發(fā)電機的底部信息處理主板上，增加了發(fā)電機中央處理單元的負荷，延緩了機艙的旋轉時(shí)間，出于上述的考慮，我們設計了基于模糊控制的智能風(fēng)力發(fā)電機機艙的設計，讓機艙的風(fēng)能撲捉的機構直接成為風(fēng)力發(fā)電機系統的智能終端，減小系統中央處理單元的負荷。

　　2、 智能機艙硬件系統的設計

　　智能機艙硬件原理圖如下圖1所示：

　　由上可知以往的風(fēng)力發(fā)電機是把所采集到的風(fēng)能的信息交給地面控制臺，而本設計使機艙有一定的主動(dòng)性。其原理是當風(fēng)速傳感器和風(fēng)向儀采集到風(fēng)力資源的信息，放大并進(jìn)行模數轉換該信息后，進(jìn)入到單片機利用模糊控制算法進(jìn)行智能處理，把得到的結果通過(guò)后向通道，驅動(dòng)液壓電機，是機艙旋轉至迎風(fēng)的方向。如果風(fēng)速和風(fēng)向稍有變動(dòng)，則風(fēng)速傳感器和風(fēng)向標重新進(jìn)行采集信息，使風(fēng)力發(fā)電機實(shí)時(shí)的得到控制，充分利用風(fēng)能。當然如果要進(jìn)行人為的操作，如檢修、維護風(fēng)力發(fā)電機時(shí)，可通過(guò)中央控制室的人機交互平臺發(fā)送停機信號之機艙。如果風(fēng)速小于或者大于額定風(fēng)速時(shí)，單片機發(fā)送偏離迎風(fēng)方向的命令，以防止風(fēng)力發(fā)電機在大風(fēng)時(shí)的破毀和對電網(wǎng)的沖擊。

　　系統主機采用單片機模糊控制器80C552，這是由于出于對系統軟件要用模糊控制算法的考慮，因為該單片機將模糊邏輯控制理論和單片機技術(shù)結合起來(lái)，能夠起到簡(jiǎn)化軟件的開(kāi)發(fā)；其次80C552內部有8路10位A/D轉換器，簡(jiǎn)化了電路，并且在80C552內部有一個(gè)WATCHDOG保護電路，使該系統在現場(chǎng)運行時(shí)防止程序飛奔，提高系統的穩定性，由于該單片機內部?jì)H有256byte的RAM且無(wú)ROM，因此必須對其進(jìn)行系統擴展。

　　系統的輸出可分為兩部分：第一部分由80C552的一個(gè)并行口輸出給LED數碼管，顯示當前的風(fēng)速；第二部分由另一個(gè)并口輸出給功率放大器，以驅動(dòng)液壓電機。當傳感器檢測到風(fēng)速和風(fēng)向信號的時(shí)候，單片機發(fā)出驅動(dòng)信號，由于從單片機出來(lái)的信號比較小，只有通過(guò)放大電路，才能驅動(dòng)各種也要電機使機艙達到迎風(fēng)或者背風(fēng)的狀態(tài)。

　　在與風(fēng)力發(fā)電機底部和中央控制式的通信時(shí)，因為80C552有著(zhù)一個(gè)全雙工異步的串行通信口SIO0，和一個(gè)I 2C傳行總線(xiàn)口SIO2，只要把從單片機的COMS信號換成表準的RS-232信號就可以進(jìn)行串行通信，不僅僅可以與風(fēng)力發(fā)電機底部主板有著(zhù)可靠的通信，而且還可以與中央控制室直接進(jìn)行通信，以便當檢修風(fēng)力發(fā)電機時(shí)或風(fēng)力發(fā)電機機艙出現毛病時(shí)，人們可以可靠的停止風(fēng)力發(fā)電機，到艙頂進(jìn)行維修。

　　3、 智能機艙系統軟件的實(shí)現

　　由于空氣動(dòng)力學(xué)的隨機、不確定性，很建立一個(gè)確定的關(guān)于風(fēng)力和風(fēng)向的數學(xué)關(guān)系式，為了達到最佳的控制效果，我們采用了模糊控制算法。其系統控制原理圖如下：

　　當風(fēng)速或風(fēng)向低于（或高于）或偏離設定值Vmin（或Vmax）時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行自動(dòng)停機并使風(fēng)力機在脫離電網(wǎng)狀態(tài)（甚至旋轉機艙在背風(fēng)的方向）。當傳感器檢測到的信息在設定值之間時(shí)，微機系統將本次所得到的風(fēng)速與風(fēng)向的信息與上次所得到的信進(jìn)行比較，得出風(fēng)速和風(fēng)向的誤差值，并設定論域為：

　　X=［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ］

　　Y=［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ］

　　其中風(fēng)速偏差e的論域為X，風(fēng)向偏差變化q的論域為Y。這兩個(gè)語(yǔ)言變量模糊化后分別用E和Q表示，控制器的輸出為u，模糊后用U表示。將e和q的在 ［-4，4］之間分為5當：｛NB（負大），NS（負?。?，ZE（零），PS（正?。?，（PB正大）｝，U的論域也為 ［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4］。

　　由于該系統的輸入是兩個(gè)變量的，故模糊算法的控制語(yǔ)言采用如下：

　　IF E AND Q THEN U

　　其中E代表風(fēng)速，Q代表風(fēng)向，可得到控制表（略）。

　　如果檢測到的信息不是上述的定點(diǎn)，取三角形函數為隸屬度函數、利用單值隸屬度法進(jìn)行數值的模糊化。在數值的反模糊化時(shí)，利用重心算法得出控制量進(jìn)行機艙的旋轉，以最大程度的撲捉風(fēng)力資源。

　　對上述模糊語(yǔ)句進(jìn)行MATLAB仿真得到信號響應曲線(xiàn)如下：

　　由上面的系統響應曲線(xiàn)圖可知，雖然本設計有著(zhù)超調量，但其比例不是很大，且能夠在較短的時(shí)間里使系統達到較穩定的輸出。由于機艙在高空中旋轉，如果響應太快的話(huà)對機艙本身來(lái)說(shuō)也不是一件太好的事，那樣會(huì )使機艙本身不穩定的，因此在系統控制機艙旋轉時(shí)，這個(gè)反應時(shí)間因該說(shuō)是較快的控制反應時(shí)間，所以從上面的分析來(lái)看，本設計有著(zhù)較好的總體性能。

　　4、 結論與展望

　　該系統得中央處理單片機通過(guò)調整系數并結合控制表，不僅僅減輕了風(fēng)機底座中央處理單元的的負荷，而且對風(fēng)力發(fā)電機的機艙做了實(shí)時(shí)的控制，以保證風(fēng)力發(fā)電機充分的利用風(fēng)力資源，這對能源的危機已一定的改善作用。