马晓彤 田涛

（华北电力大学 北京市 102206）

1 引言

随着近几十年来风力发电技术的快速发展，变速恒频双馈式风力发电机逐步在国内外得到了广泛应用。随着风电场单机容量的不断扩大，风电并网对电力系统的影响也越来越大，因此保证风电输入电网的电力质量，减少对电网的影响和污染至关重要。双馈风力发电机中，网侧变流器直接与电网相连，保证交流测单位功率因数运行以及直流母线电压的稳定。因此，网侧变流器的控制效果直接决定输入电能质量的好坏[1]。

Simulink 是 MATLAB 很强大的功能组件，广泛用于系统建模、仿真和分析。本文以Simulink 为设计平台，在基于电压矢量定向的电压电流双闭环PI 控制的基础上，使用Fuzzy logic designer 工具箱设计构建模糊控制器，对外环电压的PI 控制器进行参数优化，将优化后的控制器应用于网侧变流器控制系统中，从而有效提升系统的动态性能，优化网侧变流器的控制效果[2]。

2 网侧变流器的数学模型及控制原理

网侧变流器的系统框图如图1所示，通常采用三相电压源PWM 变流器的拓扑结构。其中ua、ub、uc为网侧三相电网电压，ia、ib、ic为网侧三相电流，R、L 为网侧进线电阻和电感，C 为直流母线电容，Udc为直流母线电压，idc为主电路开关输出直流电流，iload为负载电流。

为了方便设计控制系统，更好的实施控制策略，需要对PWM变流器时变模型进行坐标变换。在同步旋转坐标系中变换得到的数学模型：

其中：id、iq分别为交流侧电流的d、q 轴分量；ud、uq分别为电网电压的d、q 轴分量；sd、sq分别为开关状态的d、q 轴分量。调节id、iq就能分别控制网侧PWM 变流器吸收的有功功率和无功功率，从而达到有功和无功的解耦目的[3]。

3 模糊控制器

在实际风力发电系统中，由于外界条件的变化，如果仅采用PI控制，则很难满足系统的快速响应需求，模糊-PI 控制器是使用误差信号及其微分作为输入信号的泛化传统PI 控制器,因此，模糊PI 中的模糊系统输出的是给定参数的调整值，所以应该给定一组初始参数，在此基础上不断调整再输入到PI 控制系统中。模糊-PI 控制器的优点是它没有一个特定的操作点。规则对测得值和设定值之间的差（误差信号）进行评估。此外，规则还对误差信号的趋势进行评估，以决定增大或减小控制变量。命令变量的绝对值并无影响。较传统PI 控制器而言，模糊-PI 控制器的另一优点是它能实现非线性控制策略以及它使用的是语言规则。误差变小时，可根据模糊-PI控制器本身判断误差趋势。因此模糊PI 控制器较传统的PI 控制器能够达到更多样的控制效果[4]。

图1：网侧变流器系统框图

图2：模糊控制流程图

图3：误差隶属函数及相关参数设置

图4：Kp 的隶属度函数以及相关参数设置

图5：模糊控制规则界面

图6：Kp 输入输出三维显示图

图7：网侧变流器控制模型仿真图

图8：模糊PI 控制仿真图

图9：加模糊控制器前直流环节电压波形图

模糊控制器主要由三个模块组成：模糊化，模糊推理，清晰化。模糊控制的流程图如下图2所示。

4 仿真模型的搭建

首先打开Simulink 工具中的Fuzzy Logic Designer 工具箱，将电流偏差e 和电流偏差变化率 都进行模糊量化处理，量化后的数据作为模糊控制器的两个输入量，然后根据模糊规则进行模糊推理，并将推理后的模糊值解模糊化后再乘以比例因子转换为△kp、△ki，将得到的△kp、△ki与原值相加得到新的kp、ki参数。

在模糊化过程中，将精确数值e、△e、△kp、△ki划分为｛正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）的模糊子集合｝，隶属度函数图形越尖锐，代表输出对输入变化反应越灵敏，会加大实际偏差；隶属度函数图形越平滑，代表输出对输入波动反应越迟钝，与实际偏差也会越小。因此选取中间五条隶属函数为三角函数，最左边为Z 型性函数，最右边为S型函数。如图3和图4所示。

根据实验以及专家经验指定的模糊规则如表1和表2所示。

模糊控制结果如图5，图6所示。图5为模糊控制设计器规则界面，图6为输入输出的三维显示。

表1：kp 的模糊规则表

表2：ki 的模糊规则表

图10：加模糊控制器后直流环节电压波形图

图11：三相电流波形图

5 仿真实验与结果

在Simulink 中搭建网侧变流器仿真模型，系统仿真控制模型如图7所示。其中设置直流电压的参考值为1100V。

其中控制子系统模糊控制PI 部分模块如图8所示。

实验中加模糊控制器前后直流环节母线电压如图9和图10所示，由两图对比可看出，虽然二者稳定后都基本维持在1100V 左右，无大幅波动，满足电网要求，但是后者波形在稳定前明显比前者更光滑，说明加了模糊控制器以后对直流电压的控制效果更好。网侧三相电流呈正弦波形，如图11所示。

6 结论

本文提出了PI 控制的网侧变流器新控制方法，即加入了模糊控制器，通过对网侧变流器的外环电压环节的PI 控制器进行参数优化，来提高直流电压的动态性能。经过仿真实验验证，控制效果达到预期，提高了模糊控制器的鲁棒性和控制精度。仿真表明对提高直流母线电压的稳定性有比较明显的效果。但是实验中也存在问题，即加入模糊控制器后会大大降低仿真速度，收敛速度较于不加模糊控制器的收敛速度明显变慢，未来还会对如何提高模糊控制器的仿真速度进一步研究。