一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法。考虑未建模动态和干扰，建立风力发电机组的简化动态模型。计算功率调节误差动态特性。选择滑模面和切换函数，设计滑模增益的自适应更新机制，得到滑模变结构电磁转矩控制信号。定义风轮转速期望误差动态特性。将风电机组简化动态模型进行改写，得到桨距角初步表达式。将低通滤波器对非仿射不确定项和干扰项的逼近结果代入桨距角初步表达式中，得到桨距角最终表达式。该联合控制方法能够较好应对风电机组的非仿射不确定特性，结构简单，鲁棒性好，能够提供更加平稳的风轮转速和发电功率，减小风电机组的机械载荷，延长其使用寿命，并为电网提供高质量的电能。 1

【技术实现步骤摘要】
一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法
本专利技术涉及风力发电机组控制
，特别涉及变速风力发电机组高风速段的变桨变矩控制。
技术介绍
随着世界能源的日趋匮乏和科学技术的飞速发展，加上人们对环境保护的要求，使得可再生绿色能源的发展变得十分迫切。风力发电的突出优点是环境效益好，不存在资源枯竭的问题，近年来在全球范围内都得到了快速发展。为了保持风力发电的快速发展，风电机组的并网性能应该得到持续改善。目前，大多数风电场采用的是变速风力发电机。与恒转速风力发电机相比，变速风力发电机具有稳定性好，工作效率高，可以实现最大风能捕获等优势。一般来讲，当变速风力发电机工作在高风速段(风速大于额定风速)时，为了减小风电机组各组成部分的机械载荷和提高并网质量，风电机组控制系统的控制任务是减少风轮转速和发电功率的波动，使其维持在额定值附近。工作在高风速段的变速风力发电机是一个非仿射不确定非线性系统。系统的非仿射特性使得控制信号以非线性隐含的方式影响系统的动态特性，使得传统的反馈线性化技术无法使用；系统的不确定性包括内部参数的不确定性和系统建模的不准确性，比如系统的惯量、阻尼系数等会随着运行时间的增加而改变，风电系统组成十分复杂，未建模动态将影响控制器的控制性能；系统的非线性特性使得已有的线性控制技术无法有效补偿系统的非线性变化，导致控制性能大幅下降。另外，风电机组工作在十分复杂的环境当中，风速的波动性和各类外部干扰对控制器的控制性能提出了很高的要求。因此，风电机组高风速段恒功率控制是一个极具挑战性的研究课题。目前，工业上普遍采用的风电机组恒功率控制策略是通过变增益比例-积分(PI)控制器控制桨距角，并维持发电机转矩为常数。PI控制器无法完全消除系统的非线性特性，导致控制效果不理想，存在风轮转速、功率波动大、无法应对参数变化和外部干扰的缺点。为了克服上述缺点，有关学者使用智能控制技术，提出了神经网络控制器、模糊逻辑控制器等高风速段控制方案，但是此类控制技术设计过程复杂，控制效果过度依赖于控制参数的初始化和先验知识。可见，现有风电机组高风速段控制方案对风轮转速和发电功率调节效果较差，且不能很好地应对系统的不确定性及外部环境干扰。近年来，基于不确定和干扰估计因子(UncertaintyandDisturbanceEstimator，UDE)的鲁棒控制算法成为研究热点，该理论基于任何一个工程信号都可以用合适带宽的滤波器进行逼近。另外，由于滑模变结构控制的设计与对象参数及扰动无关，其具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单等优点，日益得到研究者的青睐。本专利技术将UDE鲁棒控制理论和滑模变结构控制引入到变速风电机组的高风速段控制当中，有效应对系统非仿射、不确定特性和环境干扰等问题。
技术实现思路
为了解决现有桨距角控制器未考虑系统未建模动态和环境干扰、输出功率波动大的问题，本专利技术提供一种高风速段输出功率平稳、鲁棒性好的变桨变矩联合控制方法，即通过电磁转矩调节功率，桨距角调节风轮转速，能够较好地应对风力发电机组的非仿射不确定特性与外部干扰，与目前工业上普遍采用的PI控制器相比，本专利技术能够为风电并网提供更加平稳的功率输出。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，该方法包括以下步骤：(1)对风力发电机组的传动轴系结构进行分析，考虑系统未建模动态和干扰，建立风力发电机简化动态模型。(2)利用步骤1中的风电机组动态特性和发电功率表达式，确定功率调节误差的动态特性；所述发电功率表达式定义为等效发电机转矩与风轮转速的乘积，功率调节误差定义为风电机组额定发电功率与实际发电功率之差。(3)根据步骤2中的功率调节误差动态特性，设计等效电磁转矩控制信号(滑模变结构转矩控制信号)的动态部分为滑模增益与切换函数的乘积，切换函数的作用对象是滑模面；所述滑模增益选择为动态结构加上常数部分，所述动态结构，确定方式为其导数是功率调节误差的绝对值，所述常数是需要确定的控制器参数，主要作用是加快功率调节误差的收敛速度；所述切换函数是符号函数；所述滑模面通过功率调节误差构造。(4)确定等效电磁转矩控制信号的形式为步骤3所述动态部分减去转速调节误差部分；所述转速调节误差定义为额定风轮转速与实际风轮转速之差。通过最终确定的等效电磁转矩控制信号，可以使得风电机组的输出功率以较小的波动维持在额定功率附近。(5)确定步骤4所述的转速调节误差的期望动态特性，使得转速调节误差以指数收敛的形式收敛到零；(6)将步骤1的风力发电机动态模型分解为已知项、非仿射不确定及未知干扰项、桨距角控制项，所述已知项中包括步骤4所述的等效电磁转矩控制信号；(7)将分解后的风力发电机简化动态模型与期望的转速调节误差动态特性相结合，得到桨距角初步表达式；(8)使用低通滤波器对非仿射不确定及未知干扰项进行逼近，得到非仿射不确定及未知干扰项在时域中的估计值；(9)将步骤8得到的估计值带入步骤7所述桨距角初步表达式，经过拉普拉斯变换和反变化，得到桨距角最终表达式，从而实现通过控制桨距角使得风电机组的风轮转速维持在额定转速附近。进一步地，所述步骤2中的功率调节误差的动态特性的形式如下其中，功率调节误差ep＝Pref-Pg，Pref为额定功率，Pg＝Tgωr为实际输出功率，Tg为等效发电机转矩，ωr为风轮实际转速。进一步地，所述步骤3中等效电磁转矩控制信号的动态部分的表达式如下其中，为滑模增益的动态部分，λ为滑模增益的常数部分，sgn(ep)为切换函数，本专利技术取为符号函数，选取ep＝0作为滑模面。进一步地，所述步骤4中等效电磁转矩控制信号的最终形式为Tg＝Tx-Kpeω，Kp>0其中，风轮转速调节误差eω＝ωd-ωr，ωd为风轮额定转速。进一步地，所述步骤5中，期望的误差动态特性采用如下形式：其中，Kω为期望的风轮转速调节误差控制增益，Kω<0。进一步地，所述步骤6中，分解后的风力发电机动态模型如下：其中，g(ωr)为已知项，f(ωr,v,β,t)为非仿射不确定及未知干扰项，f(ωr,v,β,t)的非仿射部分指的是气动转矩，不确定和干扰部分指的是风力发电机的未建模动态和环境干扰，β为桨距角控制项，ωr为风轮实际转速，v表示有效风速，Jt表示系统转动惯量，Tg表示发电机转矩，Ta表示气动转矩，Kt是阻尼系数，t表示时间，Δ(t)表示未建模动态和环境干扰。进一步地，所述步骤7中，所述桨距角初步表达式为：β＝-g(ωr)+f(ωr,v,β,t)+Kωeω。进一步地，所述步骤8中，所述低通滤波器的带宽能够覆盖所要逼近的非仿射不确定及未知干扰项的所有频率。进一步地，所述桨距角最终表达式为：其中Gf(s)为所选择的低通滤波器，L-1(·)表示拉普拉斯反变换。本专利技术的有益效果是：在对风力发电机组进行建模时，考虑系统未建模部分及环境干扰，使得所设计的控制器能够在系统模型发生变化和干扰存在时保持较好的控制性能；使用滑模变结构控制器获得电磁转矩控制信号，使得风电机组的输出功率以较小的波动维持在额定值附近；通过桨距角控制风轮转速，引入带宽合适的低通滤波器后，对风力发电机模型的非仿射不确定干扰项进行逼近，克服了非仿射系统控制器设计难的问题。该变桨变矩控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，该方法包括以下步

【技术特征摘要】
1.一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对风力发电机组的传动轴系结构进行分析，考虑系统未建模动态和干扰，建立风力发电机简化动态模型；(2)计算功率调节误差的动态特性；所述功率调节误差定义为风电机组额定发电功率与实际发电功率之差；(3)根据步骤2中的功率调节误差动态特性，选取滑模面和切换函数，确定滑模增益，引入风轮转速调节误差，得到最终的滑模变结构转矩控制信号，使得风电机组的输出功率维持在额定功率附近；所述风轮转速调节误差定义为风轮额定转速与风轮实际转速之差；(4)确定期望的风轮转速调节误差动态特性，使得调节误差以指数收敛的形式收敛到零；(5)将步骤1的风力发电机简化动态模型分解为已知项、非仿射不确定及未知干扰项、桨距角控制项，所述已知项中包括步骤3得到的滑模变结构转矩控制信号；(6)将分解后的风力发电机简化动态模型与期望的风轮转速调节误差动态特性相结合，得到桨距角初步表达式；(7)使用低通滤波器对非仿射不确定及未知干扰项进行逼近，得到非仿射不确定及未知干扰项在时域中的估计值；(8)将步骤7得到的估计值代入步骤6得到的桨距角初步表达式，经过拉普拉斯变换和反变化，得到桨距角最终表达式，从而实现通过控制桨距角使得风电机组的风轮转速维持在额定转速附近。2.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤2中，功率调节误差的动态特性具有如下形式：其中，功率调节误差ep＝Pref-Pg，Pref为额定功率，Pg＝Tgωr为实际输出功率，Tg为等效发电机转矩，ωr为风轮实际转速,表示求取括号内某变量的导数。3.根据权利要求2所述的一种变速风力发...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秦敏，焦绪国，陈积明，卢建刚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33