基于模糊 PID 的风力发电机励磁系统电气控制性能提升研究

引言

在“双碳”目标驱动下，风力发电作为可再生能源的重要组成部分，正逐步在全球范围内快速发展。风力发电机励磁系统是保障电能质量与系统稳定运行的核心环节，其性能直接影响机组的并网特性、功率因数以及电压调节能力。传统PID 控制策略在励磁系统中应用广泛，但由于风速波动、负载扰动以及系统的非线性动态特性，传统PID 难以在复杂环境下实现理想控制效果。模糊PID 控制方法融合了模糊逻辑推理与 PID 控制的优势，能够根据实时运行状态动态调整控制参数，从而改善系统的动态性能与鲁棒性。本文旨在基于模糊PID 方法，深入研究风力发电机励磁系统的控制性能优化路径，提出一套具有实用意义的改进方案，以期为风电领域的技术发展提供参考与借鉴。

一、风力发电机励磁系统的运行特性与控制需求

风力发电机励磁系统的主要功能是通过调节励磁电流来维持发电机电压稳定并提高机组的功率因数。其运行特性具有以下几个方面：首先，系统呈现高度非线性特征。励磁电流与端电压之间并非简单线性关系，而是受到负载变化、气候条件以及电网波动等多种因素影响。其次，动态响应要求高。风速变化频繁而快速，导致发电功率与端电压不断波动，这对励磁系统的响应速度与控制精度提出更高要求。再次，外部干扰因素复杂。在电网并网过程中，电压闪变、谐波和电力波动会对励磁系统产生显著影响。基于这些特性，励磁系统的控制需求主要集中在以下几点：提高电压调节速度、增强抗干扰能力、实现稳定功率因数调节以及提升系统的整体鲁棒性。传统PID 控制由于参数固定，在应对这些需求时表现出明显不足，因此需要引入模糊PID 控制以实现更高效的调节效果。

二、传统PID 控制在励磁系统中的应用局限性

传统 PID 控制器通过比例、积分和微分环节实现反馈调节，其优势在于结构简单、实现方便和参数直观。但在风力发电机励磁系统的应用中，传统 PID 存在以下局限性：其一，参数整定困难。励磁系统参数随工况变化而变化，固定的PID 参数难以满足全工况下的控制需求。其二，动态性能不足。在风速急剧变化或电网扰动情况下，传统PID 控制存在超调大、调节时间长的问题，容易引发电压波动与系统不稳定。其三，抗干扰能力弱。当系统受到谐波、波动性负荷或其他随机扰动时，PID 控制器的鲁棒性不足，难以维持稳定的电压输出。其四，适应性差。风电机组运行环境复杂多变，传统PID 控制无法根据实际运行情况自动调整参数，导致控制效果不理想。因此，亟需在PID 基础上引入智能化控制手段，以弥补其不足并提升系统性能。

三、模糊PID 控制在励磁系统中的原理与设计

模糊 PID 控制的核心在于通过模糊逻辑对 PID 参数进行自适应调整。其基本原理是：利用模糊控制器根据系统误差及误差变化率进行模糊推理，实时调节PID 控制器中的比例系数、积分时间和微分时间，从而实现动态优化控制。模糊PID 设计主要包括以下几个环节：首先，确定输入输出变量。以励磁电压误差与误差变化率作为模糊输入，以 PID参数调整量作为模糊输出。其次，设计隶属函数。通过对输入变量和输出变量划分模糊子集，确定不同状态下的模糊范围。再次，建立模糊规则库。基于专家经验和系统特性，构建“如果 - 那么”型模糊规则，实现误差与误差变化率与控制参数之间的映射。

四、模糊PID 在风力发电机励磁系统中的性能提升效果

模糊 PID 控制方法在风力发电机励磁系统中展现出显著的性能提升效果。首先，在动态响应方面，模糊PID 能够根据风速变化快速调整励磁电流，使系统电压在短时间内恢复稳定，缩短了响应时间。其次，在稳态性能上，模糊PID 减少了稳态误差，提高了电压调节的精度。再次，在抗干扰能力方面，模糊PID 通过自适应调整参数，显著增强了系统抵御外部扰动的能力，即使在电网电压波动或负载突变情况下，也能保持稳定运行。此外，模糊PID 控制提高了系统的鲁棒性，适应不同工况条件，避免了传统PID 控制下的振荡与失稳现象。

五、未来优化方向与应用前景

尽管模糊 PID 控制在风力发电机励磁系统中取得了良好效果，但其发展与应用仍有优化空间。未来研究可从以下几个方面展开：其一，融合先进算法实现参数优化。可将遗传算法、粒子群优化等智能算法与模糊 PID 结合，实现参数的全局优化与动态调节。其二，加强与信息技术融合。通过大数据与人工智能技术对风电机组运行数据进行分析，实现模糊 PID 控制器的智能化升级。其三，提升系统的自学习能力。构建具有学习与记忆功能的模糊控制器，使其能够不断优化控制规则，适应长期运行中的复杂变化。其四，推动工程应用与标准化。将模糊PID 控制广泛应用于不同类型的风电机组，并探索建立相关技术标准，推动其在行业内的推广应用。

结论

本文围绕风力发电机励磁系统的运行特性与控制需求，分析了传统PID 控制的局限性，并提出了基于模糊PID 的改进方案。研究表明，模糊 PID 控制能够有效提升励磁系统的动态响应速度、稳态精度与抗干扰能力，显著增强系统的运行可靠性与适应性。未来随着智能算法与信息技术的不断发展，模糊PID 在风电领域的应用将更加广泛和深入。本文的研究不仅为风力发电机励磁系统的优化提供了理论依据，也为新能源控制系统的智能化发展提供了有益参考。

参考文献

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[2] 王伟 , 张磊 . 风力发电机励磁系统的控制策略与优化研究[J]. 电力系统自动化 , 2020, 44(3): 87-94.

[3] 陈敏 . 模糊控制在风电励磁系统中的应用探讨 [J]. 中国电机工程学报 , 2019, 39(12): 112-118.

姓名：马建 年月：90 年11 月 籍贯：湖南常德 民族：汉性别：男学历：本科 职称：初级 职务：专任教师研究方向：电气自控、新能源、职业教育 邮编：413000 单位：