实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法技术

本发明专利技术公开了一种实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力机控制领域，特别是实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法。
技术介绍
风力发电技术近年来受到越来越多的关注，变速风力机与定速风力机相比，具有更高的发电效率和更低的结构载荷。风力机最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制旨在控制风轮转速跟踪由实时风速所决定的最佳转速，进而获得更多的风能。风力机MPPT控制具有多种实现方法，其中叶尖速比法通过直接控制风轮转速到理想转速，具有更好的转速跟踪效果，达到更多的风能捕获。当前研究发现，基于叶尖速比法的非线性状态控制器具有良好的转速跟踪效果，但是其控制量的计算过程中使用了目标转速的一阶导数和二阶导数，实际中这些量是不可预知且不连续的，不仅难以准确测量或估计，而且会造成控制量的大小随目标转速的变化而大幅波动，因此对滤波较为依赖。另外较好的跟踪效果会使得发电机电磁转矩波动剧烈，产生较大的结构载荷和交变载荷，影响风力机的寿命。基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力机最大功率点跟踪控制方法，能够在提高转速跟踪效率的同时尽可能降低结构载荷，但是现有技术中尚无相关描述。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，有效限制了发电机的电磁转矩波动，同时在调节控制参数的过程中避免了不可预知的目标转速r>的一阶导数和二阶导数。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数式中m＝umax/amax，amax为控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，umax为等效控制输入参数的最大值；发电机的电磁转矩参考值式中Tr为风力机估计气动转矩，Ct为系统阻尼系数，ωr为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，Jt为风机转动惯量，传动比ng。进一步的优选方案，本专利技术中风轮最优转速式中λopt是最佳叶尖速比、Vr为估计风速、R为风轮半径。进一步的优选方案，本专利技术中通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ωg，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机估计气动转矩Tr以及估计风速Vr。进一步的优选方案，本专利技术中风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε＝ωr-ωopt，式中ωopt为风轮最优转速、ωr为风轮实际转速。进一步的优选方案，本专利技术中根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值umax，具体方法为：步骤A、计算风机低速轴转矩式中Tr为风力机估计气动转矩，Tg为发电机电磁转矩，ωr为风轮实际转速，Jt为风机转动惯量，Jr为风机风轮转动惯量，Jg为发电机转动惯量，ng传动比，Cr为风轮系统阻尼系数，Cg为发电机系统阻尼系数；步骤B、计算最优的风机低速轴气动转矩Tls.opt＝Tr-Crωopt，式中Tr为风力机估计气动转矩，ωopt为风轮最优转速，Cr为风轮系统阻尼系数；步骤C、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差s＝Tls-Tls.opt，式中Tls为风轮低速轴气动转矩，Tls.opt为风轮低速轴最优气动转矩；步骤D、由此可得等效控制输入参数的最大值为：式中Tr为风力机估计气动转矩，ωr为风轮实际转速，Tls为风机低速轴气动转矩，Cr为风轮系统阻尼系数，Jr为风机风轮转动惯量，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，s为风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差，u0为umax的下界且为常数。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术基于非线性状态反馈控制器，通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，较好地限制了发电机的电磁转矩波动，并以此降低了传动轴上的交变载荷。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术的控制系统框图。图2为本专利技术的仿真的湍流风速序列图。图3为本专利技术的利用风速估计给出的估计风速图。图4为不同MPPT方法在风速时段内的转速跟踪对比图，其中(a)为传统最优转矩法(OT)与本专利技术所提出的方法转速跟踪对比图；(b)非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本专利技术所提出的方法的转速跟踪对比图。图5为不同MPPT方法在风速时段内的发电机电磁转矩对比图，其中(a)为传统最优转矩法(OT)与本专利技术所提出的方法发电机电磁转矩对比图；(b)非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本专利技术所提出的方法的发电机电磁转矩对比图。图6为本专利技术的方法获得的风力机传动轴低速端载荷图。图7为本专利技术的方法与传统最优转矩法(OT)、非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)和非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)获得的风力机传动轴低速端交变载荷幅值频次对比图。具体实施方式如图1所示，本专利技术实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出即为风力机的输入，考虑实际风速v也作为风力机的另一输入来控制风轮实际转速，具体包括以下步骤：步骤1、获取风力机参数、环境参数和运行参数；风力机参数包括风轮半径R、最佳叶尖速比λopt、最大风能利用系数Cpmax、风机转动惯量Jt、系统阻尼系数Ct、传动比ng，环境参数为空气密度ρ，运行参数包括发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ωg、风轮实际转速ωr；步骤2、通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ωg，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机的估计气动转矩Tr以及估计风速Vr；步骤3、计算出风轮最优转速式中λopt是最佳叶尖速比、Vr为估计风速、R为风轮半径；步骤4、计算实际风轮转速与风轮最优转速的误差ε＝ωr-ωopt，式中ωopt为风轮最优转速、本文档来自技高网...

【技术保护点】
实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，其特征在于，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数式中m＝umax/amax，amax为控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，umax为等效控制输入参数的最大值；发电机的电磁转矩参考值式中Tr为风力机估计气动转矩，Ct为系统阻尼系数，ωr为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，Jt为风机转动惯量，传动比ng。

【技术特征摘要】
1.实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发
电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，其特征在于，以风轮实际转速、
风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制器参
数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁
转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数式中m＝umax/amax，amax为控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转
速的误差，umax为等效控制输入参数的最大值；
发电机的电磁转矩参考值式中Tr为风力机估计气动转
矩，Ct为系统阻尼系数，ωr为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，Jt为风机转
动惯量，传动比ng。
2.根据权利要求1所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，
其特征在于，风轮最优转速式中λopt是最佳叶尖速比、Vr为估计风
速、R为风轮半径。
3.根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，
其特征在于，通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ωg，使用卡尔曼滤
波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机估计气动转矩Tr以及估计风速Vr。
4.根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，
其特征在于，风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε＝ωr-ωopt，式中ωopt...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷明慧，路英伟，陈载宇，徐洋超，周连俊，卜京，谢云云，蔡晨晓，姚娟，邹云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32