一种大型风力机的恒定输出功率控制方法技术

本发明专利技术请求保护一种大型风力机恒定输出功率控制方法，涉及风力机功率控制领域。首先，本发明专利技术在分析风力机系统影响功率输出状态变量的基础上，提出了变桨控制和转矩控制采用串联和并联相结合的复合控制策略。然后，提出采用人工蜂群算法对PID控制器初始参数进行优化的方法，减小初始时刻参数设置不当产生的过大超调量对系统的冲击。接着，设计了模糊推理规则对PID参数进行在线调整，并对模糊推理的论域做变论域处理，提高控制器自适应能力。本发明专利技术在减小系统超调的基础上，提高了控制器的自适应能力。因此，输出功率质量得到有效提高。

A Constant Output Power Control Method for Large Wind Turbine

The invention requests to protect a constant output power control method of a large wind turbine, which relates to the field of wind turbine power control. Firstly, on the basis of analyzing the influence of wind turbine system on power output state variables, the composite control strategy of pitch control and torque control is proposed, which combines series and parallel control. Then, an artificial bee colony algorithm is proposed to optimize the initial parameters of the PID controller to reduce the impact of excessive overshoot caused by improper initial parameters setting on the system. Then, the fuzzy reasoning rules are designed to adjust the parameters of PID on-line, and the domain of fuzzy reasoning is changed to improve the adaptive ability of the controller. The invention improves the adaptive ability of the controller on the basis of reducing the system overshoot. Therefore, the output power quality is effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
一种大型风力机的恒定输出功率控制方法
本专利技术属于风力机恒定输出功率控制领域，具体涉及一种属于融合人工蜂群算法和变论域模糊的大型风力机功率控制方法，。
技术介绍
大型变桨变速风力机是风力发电机的主流机型之一，具有可调速、可通过改变桨距角大小调节输出功率的特点，可提高输出电能质量、降低物理系统受损率[1-3]。控制系统设计是大型风力机的核心关键技术，各国学者以及风电企业投入很大精力开发有效的控制算法。从最常用的PID算法到智能控制算法，以及多种智能算法的融合，被应用到风力机控制系统中。而且，由于风力机的强非线性特点，需要进行线性化处理或者直接采用非线性控制方法。林勇刚等[4]以变桨角度和输出功率为判断依据，对变速变桨风力机进行恒功率与最大风能追踪控制。在额定风速以上，由于桨距角变化与输出功率呈非线性关系，因此将变桨角度变化分为几个阶段，每个阶段采用不同的PID控制参数，以此提高功率控制质量。郭鹏[5]采用PID控制与模糊控制相结合的方式进行变桨控制。当偏差较大时，采用模糊算法给出控制量，实现偏差的快速调节。当偏差较小时，采用PID控制器消除稳态误差。这样，根据两种控制算法各自的特点，提高了控制效率。殷秀兴等[6]采用二维模糊向量表算法求得桨距角给定值，采用重复PID控制器实现桨距角的跟踪控制。由于重复PID控制器不仅考虑了当前时刻的偏差信号，而且还考虑了过去时刻的控制偏差，因此提高了控制精度。韩兵等[7]采用RBF神经网络实现独立变桨系统的自适应控制，采用Lyapunov得到神经网络的自适应率，以这种在线调整的方式调节网络权值，这样，变桨系统动态特性得到优化。耿华等[8]分析了应用逆系统方法对变桨距风力机进行功率控制过程中，发生参数扰动时的鲁棒性。提出了在逆系统控制器基础上引入鲁棒补偿项，消除参数大范围变化时对系统的影响。这些方法都在一定程度上优化了变桨控制系统，取得了一定的研究成果，促进了风力机技术的发展。但是，风力机的输出功率和风速的立方成正比，微小风速变化就会引起输出功率的较大变化，而且，输出功率与变桨角度和叶尖速比是非线性关系，以及变桨系统的时滞特性，这些因素都使得控制系统设计变得复杂，如何实现精确控制成为学者们努力解决的问题。针对风力机输出功率恒定控制中PID控制器的不足，需要设计更加合理的控制策略及算法，提高控制器性能，使额定风速以上时，功率波动小、能够稳定输出。超过额定风速后，风力机的输出功率恒定控制是研究的热点问题之一。采用调节变桨角度的方式控制输出功率是典型的控制方法，但是，由于大型风力机叶片长、质量大，变桨滞后现象明显，当风速在小范围内快速波动时，变桨速率与风速变化频率难以匹配，使得控制效果变差。针对这个问题，提出当风速变化较大时采取变桨控制和转矩控制相结合，当风速变化较小时采用转矩控制的复合控制策略。而且，针对PID控制器初始值不易确定和难以适应外部变化的不足，提出采用人工蜂群算法与变论域模糊推理相结合的智能控制方法。参考文献[1]PedramBagheri,QiaoSun.Adaptiverobustcontrolofaclassofnon-affinevariable-speedvariable-pitchwindturbineswithunmodeleddynamics[J].ISATransactions,2016,63:233-241.[2]ZaferCivelek,MuratLüy,HayatiMamur.Proportional-integral-derivativeparameteroptimisationofbladepitchcontrollerinwindturbinesbyanewintelligentgeneticalgorithm[J].IETrenewablepowergeneration,2016,10(8):1220-1228.[3]Mao-HsiungChiang.Anovelpitchcontrolsystemforawindturbinedrivebyavariable-speedpump-controlledhydraulicservosystem[J].Mechatronics,2011,21:753-761.[4]林勇刚，李伟，崔宝玲，刘宏伟。风电机组电液比例变桨距技术研究[J]。太阳能学报，2007,28(6)：658-662.[5]郭鹏。风电机组非线性前馈与模糊PID结合变桨距控制研究[J]。动力工程学报，2010,30(11):838-843.[6]殷秀兴，林勇刚，李伟，石茂顺，楼杉。电液数字马达变桨距控制技术[J]。太阳能学报，2014,35(9)：1627-1633.[7]韩兵，周腊吾，陈浩，邓宁峰，田猛。基于RBF神经网络的风电机组独立变桨控制[J]。中国科学：技术科学，2016,46(3)：248-255.[8]耿华，周伟松，杨耕。变桨距风电系统功率控制的逆系统鲁棒方法[J]。清华大学学报(自然科学版)，2010,50(5)：718-723.[9]AbdeldjalilDahbi,NasreddineNait-Said,Mohamed-SaidNait-Said.AnovelcombinedMPPT-pitchanglecontrolforwiderangevariablespeedwindturbinebasedonneuralnetwork[J].Internationaljournalofhydrogenenergy,2016,41:9427-9442.[10]ImanPoultangari,RezaShahnazi,MansourSheikhan.RBFneuralnetworkbasedPIpitchcontrollerforaclassof5-MWwindturbinesusingparticleswarmoptimizationalgorithm[J].ISAtransactions,2012,51:641-648.[11]秦全德，程适，李丽，史玉回.人工蜂群算法研究综述[J].智能系统学报，2014，9(2)：127-135.[12]徐龙琴，李乾川，刘双印，李道亮.基于集合经验模态分解和人工蜂群算法的工厂化养殖pH值预测[J].农业工程学报，2016，32(3)：202-209.[13]孙涛，秦录芳.风力机变桨距的模糊PID参数自整定控制[J].机床与液压，2011，39(10)：121-123，130.[14]高淑芝，高宪文，朱志承.基于变论域模糊PID的汽提塔温度控制方法[J].东北大学学报(自然科学版)，2010，31(10)：1369-1372.
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种减小系统初始时刻的超调量，提高控制器在宽范围、高频率变化时的性能的大型风力机的恒定输出功率控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其包括以下步骤：首先，在分析风力机系统影响功率输出状态变量的基础上，提出了变桨控制和转矩控制相结合的复合控制策略，即在额定风速以上，风速变化幅值大于限定值时，以变桨控制和转矩控制串联的方式进行控制；在风速变化幅值小于限定值且变化频率大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，在分析风力机系统影响功率输出状态变量的基础上，提出了变桨控制和转矩控制相结合的复合控制策略，即在额定风速以上，风速变化幅值大于限定值时，以变桨控制和转矩控制串联的方式进行控制；风速变化幅值小于限定值且变化频率大于设定值f时，以转矩控制的方式进行控制；然后，采用人工蜂群算法对PID控制器初始参数进行优化；最后，设计模糊推理规则对PID参数进行在线调整，通过乘上伸缩因子，以变论域方式对论域进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，在分析风力机系统影响功率输出状态变量的基础上，提出了变桨控制和转矩控制相结合的复合控制策略，即在额定风速以上，风速变化幅值大于限定值时，以变桨控制和转矩控制串联的方式进行控制；风速变化幅值小于限定值且变化频率大于设定值f时，以转矩控制的方式进行控制；然后，采用人工蜂群算法对PID控制器初始参数进行优化；最后，设计模糊推理规则对PID参数进行在线调整，通过乘上伸缩因子，以变论域方式对论域进行调整。2.根据权利要求1所述的一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其特征在于，所述在额定风速以上风速变化幅值较大时以变桨控制和转矩控制串联的方式进行控制，具体包括：在风速变化幅值大于限定值时，首先采用变桨控制将功率迅速控制到设定的范围内，并保持此时的变桨角度；然后，采用转矩控制方式提高控制系统的响应速度，减小功率波动。3.根据权利要求1所述的一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其特征在于，在风速变化幅值小于限定值且变化频率大于设定值f时，以转矩控制的方式进行控制，具体包括：首先分析当风速变化幅值小于限定值且变化频率大于限定值时采用变桨控制的弊端和采用转矩控制的优点，并以人工蜂群算法和变论域模糊算法相结合，提高控制系统精度。4.根据权利要求1所述的一种大型风力机的恒定输出功率控制方法，其特征在于，所述采用人工蜂群算法对PID控制器初始参数进行优化，具体包括：蜜源的位置是采蜜的关键信息，代表问题的潜在解，蜜源i的位置可表示为式(12)；式中，t表示当前迭代次数，k表示维数，表示蜜源i在t次迭代时的k位置；蜜源i的初始位置可表示为：xik＝Lk+rand(0,1)(Uk-Lk)(13)式中，Lk表示搜索空间的下限，Uk表示搜索空间的上限，rand(0,1)产生0到1之间的随机数；引领蜂将搜索到的新蜂源位置用式(14)表示；vik＝xik+r(xik-xnk)(14)式中，r是[-1,1]之间均匀分布的随机数，n∈{1,2,…}，n表示在蜜源中选择一个不等于i的蜜源；引领蜂确定好新蜜源的位置信息后，飞回到指定区域进行蜜源信息共享，跟随蜂依据获得的蜜源信...

【专利技术属性】
技术研发人员：任海军，邓广，吉昊，郑智文，郭儒，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50