基于模糊自适应PID控制的变速小水电并网系统
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摘要：研究笼型异步发电机在小水电中的应用，为提高系统发电效率和可靠性，利用双PWM变流器设计变速小水电并网系统，配合电容器共同补偿发电机励磁电流。针对机侧变流器根据水头波动自动调整机组变速运行的功能，提出一种模糊自适应PID控制策略；针对网侧变流器的并网功能，采用相应的定直流侧电压和无功功率的控制策略。最后，利用Matlab/simulink仿真平台验证所提方法的有效性和可行性。仿真结果表明，所提方法较好实现小水电系统的变速运行，发电效率较大提高，并网电流正弦化且单位功率因数。
关键词：小水电 双PWM变流器 模糊自适应PID控制 最大效率追踪 无功补偿
中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）12-0000-00
目前，我国小型水电站常采用定桨式水轮机与同步发电机组合的定速发电系统。同步发电机并网操作复杂、维护管理繁琐。水轮机只能以额定同步转速运行，无调节余地，当水头变化时，水轮机偏离最优转速，效率降低，气蚀系数上涨，机组异常振动加剧，工况运行恶化。为解决这一问题，文献[1]提出采用转桨式水轮机，有助于提高发电效率，但存在结构复杂，造价昂贵，维修费高等问题。文献[2]分析小水电站变速发电技术有利减少水轮机振动，提高机组寿命和发电效率，然而没有具体解决方案。文献[3]指出借助电容器以自激状态提供异步发电励磁功率，调压能力弱，无法实现无极调节，不适于变速发电的补偿场合。G.H.Studtman在1974年首次提出将功率变流器用于变速异步发电机的发电控制。
针对以上问题，本文主要研究基于双PWM变流器接入电网的变速小水电系统的控制策略，不仅实现小水电安全并网，还能够根据水头变化自动调整发电机转速，实现发电机组的变速运行。异步发电机励磁电流由电容器和机侧变流器共同提供，既减少变流器容量，又起到改善发电系统效率和功率因数的作用。其中，对于电机侧变流器，提出一种模糊自适应控制策略。对于电网侧变流器，提出一种根据给定直流侧电压和无功功率的双闭环控制策略；其详细的拓扑结构和控制策略由下文给出。
1变速小水电并网系统结构
如图1所示，整个系统由水轮机、异步发电机、补偿电容和双PWM变流器组成。水轮机将水势能转换为旋转机械能，再通过主轴带动发电机运转向外输出电能，然后通过变流器变换为恒频恒压的交流电送至电网。采用双PWM变流器并网结构，能够实现发电机与电网的柔性连接，具有更好的抗电网电压波动能力。
为便于叙述，将与电机和电网相连的变流器分别称为机侧变流器、网侧变流器。前者用于传输发电机组有功功率，并与机端电容器补偿异步发电机励磁所需的无功功率。网侧变流器担当稳定直流母线电压，并网有功和无功功率解耦控制的功能。两侧变流器通过电解电容相连，可实现独立控制。
图1基于笼型异步发电机的小水电并网系统
2 模糊自适应整定pid变速控制原理
2.1 最大效率追踪原理
最大效率追踪指在水头波动大的小水电站，采用变速发电技术使发电机转速快速跟随流速变化，确保水轮机工作在最优效率，即水轮机在最大功率点运行。水轮机在导水叶（喷嘴）开度输出功率随转速急剧变化，取得最优效率的转速范围很窄。因此，需根据水头和流量来调整转速，提高发电效率与扩大运行范围。
2.2 模糊自适应整定PID控制原理
模糊自适应整定控制根据模糊数学的基本理论和方法，用模糊集来表示控制规则的条件和操作，并将这些规则及相关信息作为知识存入计算机知识库，计算机根据控制系统的实际响应情况，进行模糊推理和决策，自动完成对参数的最优调整。
3结语
结合异步发电技术在小水电中应用，提出基于双PWM变流器的变速小水电并网系统，研究相应的控制策略，研究表明：（1）将模糊自适应整定控制理论应用到变速小水电系统，通过控制机侧变流器，确保机组始终运行于最优转速，提高发电效率，降低水轮机的气蚀、泥沙磨损和机械振动，延长设备使用寿命，适用于有水头波动的各种水轮机型的小水电站。（2）当水头波动时引起的机端电压变化，通过机侧变流器快速、连续补偿无功功率进行抑制，维持机端电压的恒定。（3）能够控制网侧变流器的输出正弦波电流，通过设定输出无功功率指令，实现网侧变流器任意功率因数运行。
参考文献
[1]名仓理，小野朋贵.小型水电站中利用感应发电机的变速发电系统[J].水力水电技术，2001，32（11）：67-69.
[2]余昆，曹一家，倪以信 等.分布式发电技术及其并网运行研究综述[J].河海大学学报（自然科学版），2009（06）：741-748.
[3]刘陵顺，胡育文，黄文新.电力电子变换器控制的异步电机发电技术[J].电工技术，2005，20（5）：1-7.