基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)的研究

作者/ 黃俊梅 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系(陜西 咸陽(yáng) 712000)

摘要：風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)對(duì)增加我國(guó)能源供應(yīng)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。為了優(yōu)化風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性建模方面的優(yōu)越性，建立了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距模型的基礎(chǔ)上，利用SIMULINK工具箱搭建了風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型。經(jīng)仿真和實(shí)踐運(yùn)行驗(yàn)證，該模型控制效果良好，能根據(jù)風(fēng)速檢測(cè)值調(diào)節(jié)槳距角，實(shí)現(xiàn)在不同風(fēng)速段對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的恒定控制，具有良好的穩(wěn)定性和快速收斂性。

前言

　　伴隨著全球能源供應(yīng)的環(huán)?；?，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，有著取之不盡，用之不竭的優(yōu)勢(shì)，擁有非常廣闊的市場(chǎng)前景^[1]。但風(fēng)向、風(fēng)速的隨機(jī)性所帶來的風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性差是制約風(fēng)力發(fā)電的瓶頸^[2]。為了克服這一技術(shù)難題，擁有智能、高效的風(fēng)力發(fā)電變槳距恒功率控制系統(tǒng)顯得極其重要^[3]。

　　由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)非線性、強(qiáng)藕合、多變量、大時(shí)滯的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確建模。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不依賴于數(shù)學(xué)模型，可逼近任意非線性函數(shù)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和非線性映射能力，特別適應(yīng)于復(fù)雜的風(fēng)電變槳距控制系統(tǒng)建模^[4-5]。因此，本設(shè)計(jì)擬采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組變槳建模。在該BP變槳模型基礎(chǔ)上，利用MATLAB sumulink工具箱搭建風(fēng)力發(fā)電變槳恒功率控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性，將本BP變槳恒功率控制系統(tǒng)應(yīng)用于山東長(zhǎng)星風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)力發(fā)電變槳恒功率控制系統(tǒng)

　　變槳距控制和恒功率控制是風(fēng)力發(fā)電兩大核心技術(shù)^[6-7]。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，為了最大限度跟蹤風(fēng)速，此時(shí)沒有必要變槳，只需調(diào)整葉片槳距角為規(guī)定的最小槳矩角，即β=0°，使其風(fēng)能利用系數(shù)最大。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)輸出功率將會(huì)隨著風(fēng)速的增高而不斷變大，這一過程對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及設(shè)備安全有重要影響^[8-9]。因此，必須將輸出功率限制在額定范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)將通過改變槳距角的大小，調(diào)整風(fēng)能利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和保證風(fēng)電機(jī)組恒功率輸出^[10-11]。

　　針對(duì)這一現(xiàn)象，本研究將主要針對(duì)額定風(fēng)速以上的變槳恒功率控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，其控制流程如圖1所示。

　　為了保證發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)提供平穩(wěn)電能，本風(fēng)力發(fā)電變槳恒功率控制系統(tǒng)采用功率閉環(huán)控制方式。其中，變槳控制器利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模實(shí)現(xiàn)。在此建?；A(chǔ)上，利用MATLAB sumulink工具箱搭建風(fēng)力發(fā)電變槳恒功率控制系統(tǒng)模型，將發(fā)電機(jī)輸出功率反饋到輸入端與額定功率進(jìn)行比較，其偏差值作用于變槳控制器，最終使發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變槳距控制模型

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理

　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作狀態(tài)穩(wěn)定、易于硬件實(shí)現(xiàn)，是目前應(yīng)用廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。

　　BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無需揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層(input)、輸出層(output layer)和若干隱含層(hidden layer)構(gòu)成。每層有若干個(gè)神經(jīng)元組成，各神經(jīng)元與下一層所有的神經(jīng)元通過權(quán)連接，一個(gè)神經(jīng)元可以處理多個(gè)輸入信息。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)可歸納為 “信息正傳播”→“誤差逆?zhèn)鞑ァ薄坝洃浻?xùn)練”→“學(xué)習(xí)收斂”四個(gè)步驟。

　　信息正傳播：外界信息經(jīng)由輸入層各神經(jīng)元進(jìn)入隱含層的神經(jīng)元，并根據(jù)處理信息的復(fù)雜程度決定隱含層的層數(shù)，經(jīng)隱含層和輸出層各神經(jīng)元逐層信息處理后向外輸出信息結(jié)果。

　　誤差逆?zhèn)鞑ィ喝绻麑?shí)際輸出與預(yù)期目標(biāo)存在差異，則將誤差信息反向傳送，不斷記憶訓(xùn)練修整權(quán)值大小，最終達(dá)到期望值為止，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變槳距建模

　　一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立通常包括網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)、學(xué)習(xí)速率、初始權(quán)值和允許誤差等參數(shù)。

　　1)BP模型網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的確定

　　BP網(wǎng)絡(luò)一般包括1個(gè)輸入層，1個(gè)或幾個(gè)隱含層和1個(gè)輸出層。雖然增加層數(shù)可以提高精度、降低誤差，但這同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和訓(xùn)練時(shí)間。結(jié)合本研究實(shí)際，本建模將選用單隱層BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。

　　通過分析影響風(fēng)電機(jī)組輸出功率的不同影響因素，最終確定輸入向量分別為風(fēng)速，風(fēng)輪角速度，輸出向量為變槳機(jī)構(gòu)槳距角。利用試湊法，通過比較輸出誤差和收斂速度，最終確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8。

　　2)傳遞函數(shù)的選擇

　　該BP模型的網(wǎng)絡(luò)的生成語(yǔ)句如下：

　　net=newff(minmax(pn),[8,1],{'tansig','purelin'},'trainlm')。其中，訓(xùn)練選用trainlm函數(shù)，隱層選用tansig傳遞函數(shù)，輸出層選用purelin傳遞函數(shù)。

　　3)允許誤差和初始權(quán)值的設(shè)置

　　本文允許誤差設(shè)為0.005，初始權(quán)值選取(-1,1)之間的隨機(jī)數(shù)。

　　4) 學(xué)習(xí)速率的選擇

　　學(xué)習(xí)速率是優(yōu)化計(jì)算中一個(gè)重要因子，反映網(wǎng)絡(luò)一次循環(huán)訓(xùn)練中權(quán)值的變化量，取值范圍通常在0.01-0.8之間。取值太小將導(dǎo)致訓(xùn)練時(shí)間過長(zhǎng)，取值太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)，因此本文中學(xué)習(xí)速率為0.05。

　　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變槳距控制模型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳控制器模型建立之后，需要利用大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練。本文中的樣本數(shù)據(jù)來源于山東長(zhǎng)星風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室10kW風(fēng)力機(jī)組的130組典型時(shí)段的樣本數(shù)據(jù)，選取前104組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，后26組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)。

　　其中輸入樣本為各時(shí)段的風(fēng)速、風(fēng)輪角速度，輸出樣本為對(duì)應(yīng)的槳距角。將訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)做歸一化處理后再輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練，得到網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值;把預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后，輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，就可以計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)的槳距角值，如圖4所示。

　　已知，該風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速為10.5m/s。從圖4可知，隨著風(fēng)速的不斷變化，該BP模型的槳距角預(yù)測(cè)值可以很好地跟蹤實(shí)際值，預(yù)測(cè)效果較好。在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角為規(guī)定的最小槳矩角β=0°，可以最大限度地捕獲風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，槳距角不斷增加，以期使風(fēng)能利用率減小，從而將輸出功率限制在額定值附近。

3 風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型仿真

3.1 風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型仿真

　　在已建好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距模型的基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真軟件的SIMULINK工具箱搭建風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖6為60s的隨機(jī)風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型的輸出功率情況。由圖6可知，在60s的隨機(jī)風(fēng)速下，本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型可以很快實(shí)現(xiàn)額定功率10kW的穩(wěn)定輸出，該系統(tǒng)具有很好的快速性和穩(wěn)定性。

　　3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距模型的實(shí)際測(cè)試結(jié)果

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證本變槳距恒功率控制系統(tǒng)在發(fā)電生產(chǎn)中的運(yùn)行效果，將本模型嵌入至山東長(zhǎng)星風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中，上機(jī)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7(a)和圖7(b)可知，在實(shí)際運(yùn)行中槳距角隨著風(fēng)速的變化而隨之自動(dòng)調(diào)節(jié)。驗(yàn)證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距控制系統(tǒng)發(fā)揮了控制作用。由圖7(c)可知，機(jī)組的輸出功率基本恒定于10kW，其上下波動(dòng)屬于合理控制范圍內(nèi)。圖7說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距控制系統(tǒng)，能夠通過改變?nèi)~片攻角而達(dá)到機(jī)組功率輸出恒定的目的，獲得理想的控制效果。

　　綜上所述，由于風(fēng)電的強(qiáng)非線性，在不同風(fēng)速下，槳距角的單位變化對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率影響不同。為保證額定功率為10kW的穩(wěn)定輸出，在高風(fēng)速段和額定風(fēng)速附近，發(fā)生相同的風(fēng)速變化△V，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變槳距控制系統(tǒng)通過槳距角的不同調(diào)節(jié)可以很快實(shí)現(xiàn)額定功率的穩(wěn)定輸出。

4 結(jié)論

　　經(jīng)仿真和實(shí)踐運(yùn)行驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電機(jī)組變槳距恒功率控制系統(tǒng)模型控制效果良好，能根據(jù)風(fēng)速測(cè)定值調(diào)節(jié)槳距角，實(shí)現(xiàn)在不同風(fēng)速段對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的恒定控制，具有較好的穩(wěn)定性和快速收斂性。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第76頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。