一种基于模糊控制的组合式垂直轴风机变桨距控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的组合式垂直轴风机变桨距控制方法。

背景技术

风能作为一种可再生能源，具有清洁无污染、储量丰富、投资少、见效快等优点。风力发电机是一种将风能转化为机械能，机械能再转化为电能的能量转换装置，分为垂直轴风机和水平轴风机两类。其中，垂直轴风机具有风向适应性好、结构简单、便于维护等优点，应用广泛。

垂直轴风机可分为阻力型垂直轴风机和升力型垂直轴风机。阻力型垂直轴风机具有对风速要求低，启动性能好，安装简易等优点，但其风能利用效率低。升力型垂直轴风机风能利用率较高，但存在发电不稳定性和自启动性能较差的缺点。因此，由阻力型垂直轴风机和升力型垂直轴风机结合组成的组合式垂直轴风机，能够合理解决垂直轴风机自启动性能差、发电效率不高的问题。

为了进一步提高风机发电效率，风机常采用搭载桨距角调节装置进行变桨距，尽可能使风机保持额定功率发电提高发电能力。但现有组合式垂直轴风机依靠阻力型垂直轴风机降低启动条件正常工作后，阻力型垂直轴风机无法自动收回，往往形成新的风阻。同时，现有组合式垂直轴风机在进入高速运转状态时，如果不实时主动调节桨距角，往往会存在风能利用率不高或风机失速的可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于模糊控制的组合式垂直轴风机变桨距控制方法，可根据风速和发电机转速变化，主动调节阻力型垂直轴风机进行自动收回和工作，基于模糊控制实时调整风机的桨距角，保证风机尽可能处于最佳发电功率，具有启动性能好、可快速有效控制桨距角的优点，进一步提高了垂直轴风机发电效率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种基于模糊控制的组合式垂直轴风机变桨距控制方法，所述组合式垂直轴风机包括同轴设置的S型风机和H型风机，该方法包括以下步骤：

S1、风机启动，控制系统初始化，通过传感器模组获取风速V、组合式垂直轴风机发电机实际转速ω和H型风机叶片桨距角β信息；

S2、根据S1测得的风速大小，若测得风速＜切入风速，风机不动作；

若测得风速＞切入风速，同时根据S1测得的发电机实际转速信息，调节S型风机两个叶片的相对位置，从而调节两个叶片的重叠比；具体包括以下步骤：

S21、确定S型风机工作的转速区间[0，ω

S22、若发电机实际转速低于阈值ω

若发电机实际转速高于阈值ω

S3、根据S1采集得到的信息，以H型风机的桨距角为被控对象，发电机实际转速与额定转速的偏差量e及风速变化率ec为模糊输入量，采用模糊控制算法计算出控制输出量桨距角变化值Δβ，将该控制输出量输入至变桨距控制系统中来控制H型风机桨距角变化。

上述方案中，S3具体包括以下步骤：

S31、确定模糊控制器输入量e、ec和输出量Δβ：

根据S1测得的发电机实际转速ω和风速V信息，计算得到实际转速ω与额定转速ω

S32、输入量和输出量模糊化处理：

对实际转速ω与额定转速ω

S33、建立模糊控制规则：

在控制过程中当发电机实际转速与额定转速的偏差量较大时，桨距角的变化目标是尽快消除转速偏差；当发电机转速偏差量较小时，桨距角的变化除了要消除发电机转速偏差，还要考虑风机系统的稳定性，防止风机运行时各个变量产生不必要的超调和震荡；

S34、模糊推理：

采用Mamdani推理控制中的查表法，基于模糊控制规则，推理语句如下：

If ec＝EC

式中，EC

S35、去模糊化：

采用加权求和法将输出量模糊值转化为精确值；

S36：模糊控制器输出：

模糊控制器输出桨距角调节量到变桨距装置，完成桨距调节。

上述方案中，步骤S32输入量和输出量模糊化处理的方法如下：

将输入量模糊化得到{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}的模糊子集EC和E，对应记录为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；其中，转速偏差量e变化控制在(-25r/min，25r/min)范围内，风速变化率ec控制在(-10m/s

同时，将输出量模糊化得到{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}的模糊子集U，对应记录为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，量化到[-6，6]的论域范围内。

上述方案中，步骤S33建立模糊控制规则表如下：

上述方案中，步骤S35中加权求和法是指将控制器的模糊输出集合中的各元素进行加权平均后的值作为控制系统精确输出值，其公式为：

式中，U为最终输出量，U

上述方案中，步骤S22中，S型风机重叠比为0.15-0.2时，能提供较大的启动力矩。

上述方案中，所述S型风机包括第一叶片支撑轨道、第二叶片支撑轨道、第一叶片、第二叶片、第一主动控制装置、第二主动控制装置；所述第一叶片支撑轨道和第二叶片支撑轨道关于传动轴呈中心对称布置，所述第一叶片安装于第一叶片支撑轨道上并可沿其滑动，所述第二叶片安装于第二叶片支撑轨道上并可沿其滑动，第一叶片和第二叶片关于传动轴呈中心对称布置且叶片部分交错；所述第一主动控制装置搭载于第一叶片支撑轨道外端，并与第一叶片外端接触，所述第二主动控制装置搭载于第二叶片支撑轨道外端，并与第二叶片外端接触；两个主动控制装置能够根据风速传感信息和发电机实际转速信息改变各自的自身长度来调节对应叶片的相对位置，从而调节两叶片的重叠比；

所述H型风机的叶片搭载变桨距装置，可根据模糊控制器输出信号进行桨距角调节。

上述方案中，所述主动控制装置采用弹簧主动控制装置或液压伸缩主动控制装置。

上述方案中，所述组合式垂直轴风机的发电机安装于所述传动轴下端，所述发电机为双馈异步发电机。

上述方案中，所述组合式垂直轴风机的传感器模组包括……风速传感器、发电机转速传感器和风机叶片桨距角传感器，其中风速传感器安装于机舱上，用于向风速处理电路输入风速信号；发电机转速传感器安装于风机发动机内；风机叶片桨距角传感器安装于叶片上，用以检测桨距角信息。

本发明的有益效果在于：

1、本发明方法首先根据风速信息和发电机转速信息控制S型风机工作状态，低转速时S型风机工作，提供启动力矩，利于组合式垂直轴风机快速启动，高转速时S型风机收起，避免造成风阻；然后根据发电机实际转速与额定转速的偏差量和风速变化率变化，采用模糊控制实时调节H型风机的桨距角，保证发电机以最佳功率运行。因此，本发明结合了S型风机和H型风机的优点，具有启动性能好、发电效率高的优点。

2、本发明通过在S型风机上搭载弹簧或液压伸缩主动控制装置来调节两个叶片的重叠比，在S型风机工作时将叶片重叠比调为0.15-0.2(优选为0.17)时，此时S型风机工作时提供的启动力矩较大，利于垂直轴风机快速启动；在S型风机停止时，将叶片重叠比调为1，此时S型风机提供的启动力矩为零，避免造成风阻，利于H型风机高速工作。

3、本发明通过在H型风机其上搭载变桨距装置，实时调节H型风机的桨距角，保证发电机以最佳功率运行。

4、本发明采用双馈异步电机，通过调节转子绕组电流改变发电机电磁转矩，进而改变电机转速，保证发电机尽可能以最佳功率运行，同时双馈异步电机具有过载能力大、可靠性高、能有效提高发电量等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中的组合式垂直轴风机的整体结构图；

图2是本发明中的S型风机叶片重叠比为0.17时的结构示意图；

图3是本发明中的S型风机叶片重叠比为1时的结构示意图；

图4是本发明中的H型风机的桨距角示意图；

图5是本发明基于模糊控制的垂直轴风机变桨距控制方法的原理图；

图6是本发明基于模糊控制的垂直轴风机变桨距控制方法的控制流程图；

图7是桨距角控制器模糊控制原理图；

图8是Matlab软件中变桨距模糊控制器的模糊推理图。

图中：10、S型风机；11、第一叶片支撑轨道；12、第二叶片支撑轨道；13、第一叶片；14、第二叶片；15、第一主动控制装置；16、第二主动控制装置；20、H型风机；21、H型风机叶片；30、传动轴；40、发电机；50、塔架基座。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的组合式垂直轴风机，包括从上至下依次安装于传动轴30上的S型风机10和H型风机20，还包括安装于传动轴30下端的发电机40，发电机40底部为塔架基座50。

如图2-3所示，S型风机10包括第一叶片支撑轨道11、第二叶片支撑轨道12、第一叶片13、第二叶片14、第一主动控制装置15、第二主动控制装置16。第一叶片支撑轨道11和第二叶片支撑轨道12关于传动轴30呈中心对称布置，第一叶片13安装于第一叶片支撑轨道11上并可沿其滑动，第二叶片14安装于第二叶片支撑轨道12上并可沿其滑动。第一叶片13和第二叶片14均为半圆柱面叶片，柱面朝向相反，关于传动轴30呈中心对称布置，且两个叶片部分交错。第一主动控制装置15搭载于第一叶片支撑轨道11外端，并与第一叶片13外端接触，接触处设置卡扣；第二主动控制装置16搭载于第二叶片支撑轨道12外端，并与第二叶片14外端接触，接触处设置卡扣。叶片支撑轨道为中空轨道，当S型风机10转动时，由于离心力作用，S型风机10叶片可沿叶片支撑轨道滑出。两个主动控制装置采用弹簧主动控制装置(在其他实施例中也可采用液压伸缩主动控制装置)，能够根据风速传感信息和发电机40实际转速信息改变各自弹簧伸长量来调节末端的卡扣位置，从而调节对应叶片的相对位置，达到调节两叶片的重叠比的目的。第一叶片13和第二叶片14直径为d，交错距离为s，叶片重叠比为s/d。参见图2，S型风机10叶片重叠比为0.17，此时S型风机10工作时提供的启动力矩较大，利于垂直轴风机快速启动。参见图3，S型风机10叶片重叠比为1，此时S型风机10叶片合拢(组成圆)，S型风机10提供的启动力矩为零，避免造成风阻，利于H型风机20高速工作。

如图4所示，H型风机叶片21搭载变桨距装置，可根据模糊控制器输出信号进行桨距角调节。

进一步优化，S型风机10为Savonius阻力型垂直轴风机。

进一步优化，组合式垂直轴风机发电机40为双馈异步发电机40，利用变速恒频发电方式，风力机可以改恒速运行为变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。

进一步优化，组合式垂直轴风机的传感器模组包括风速传感器、发电机转速传感器和风机叶片桨距角传感器，其中风速传感器安装于机舱上，负责向风速处理电路输入风速信号，发电机转速传感器安装于风机发动机内，风机叶片桨距角传感器安装于叶片上，用以检测桨距角信息。

参见图5-6，本发明提出一种基于模糊控制的组合式垂直轴风机变桨距控制方法，包括以下步骤：

S1、风机启动，控制系统初始化，通过传感器模组获取风速V、组合式垂直轴风机发电机40实际转速ω和H型风机20叶片桨距角β信息；

S2、根据S1测得的风速大小，若测得风速＜切入风速，风机不动作；

若测得风速＞切入风速，同时根据S1测得的发电机40实际转速信息，调节S型风机10两个叶片的相对位置，从而调节两个叶片的重叠比，具体包括以下步骤：

S21、确定S型风机10工作的转速区间[0，ω

S22、若发电机40实际转速低于阈值ω

若发电机40实际转速高于阈值ω

S3、根据S1采集得到的信息，以H型风机20的桨距角为被控对象，发电机40实际转速与额定转速的偏差量e及风速变化率ec为模糊输入量，采用模糊控制算法计算出控制输出量桨距角变化值Δβ，将该控制输出量输入至变桨距控制系统中来控制H型风机20桨距角变化。具体包括以下步骤：

S31、确定模糊控制器输入量e、ec和输出量Δβ：

根据S1测得的发电机40实际转速ω和风速V信息，计算得到实际转速ω与额定转速ω

S32、输入量和输出量模糊化处理：

对实际转速ω与额定转速ω

将输入量模糊化得到{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}的模糊子集EC和E，对应记录为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；其中，转速偏差量e变化控制在(-25r/min，25r/min)范围内，风速变化率ec控制在(-10m/s

类似的，将输出量模糊化得到{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}的模糊子集U，对应记录为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，量化到[-6，6]的论域范围内。

S33、建立模糊控制规则：

在控制过程中当发电机40实际转速与额定转速的偏差量较大时，桨距角的变化目标是尽快消除转速偏差；当发电机40转速偏差量较小时，桨距角的变化除了要消除发电机40转速偏差，还要考虑风机系统的稳定性，防止风机运行时各个变量产生不必要的超调和震荡。

切入风速下，模糊控制器的模糊控制规则如下表1所示：

表1模糊逻辑规则表

S34、模糊推理：

采用Mamdani推理控制中的查表法，基于模糊控制规则，推理语句如下：

If ec＝EC

式中，EC

模糊控制器的模糊推理如图8所示。

S35、去模糊化：

采用加权求和法将输出量模糊值转化为精确值。加权求和法是指将控制器的模糊输出集合中的各元素进行加权平均后的值作为控制系统精确输出值，其公式为：

式中，U为最终输出量，U

S36：模糊控制器输出：

模糊控制器输出桨距角调节量到变桨距装置，完成桨距调节。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。