一种基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法技术

本发明专利技术针对风力发电机最大功率跟踪问题，公开了一种基于风速估计的无传感器智能二阶积分滑模控制方法。通过控制永磁同步电机来调节风力发电机的转速，实现风能的最大捕获。首先，设计了一种用于速度环和电流环控制的智能二阶积分滑模控制器，该控制器收敛速度快，鲁棒性强并能有效抑制抖振。其次，提出了一种基于直接滑模观测器和扩展高增益观测器的新型级联耦合观测器来估计转子的转速和位置。此外，采用组合径向基函数神经网络对风速有效值进行估计。最后，通过仿真验证了该方法在考虑模型不确定性和外部干扰情况下的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法
本专利技术属于风力发电机鲁棒控制
，特别涉及无传感器风力发电机的风能最大功率跟踪控制。
技术介绍
随着能源消耗的增加和环境的恶化，清洁可持续能源的利用越来越受到重视。当今世界正面临着能源短缺、环境污染和温室气体排放的巨大危机。近年来，风能作为一种清洁环保的可再生能源发展迅速。风能具有随机性和不稳定性，是一种不可控的能源。在风力发电过程中，风力发电机是风能转换系统的主体。风力发电机是一个高度非线性的系统，其控制越来越受到重视，最大功率跟踪和降低机械负载是风力发电机的两个重要研究方向。风力发电机的控制需要精确的风速。目前，风速测量方法主要有风速传感器和无传感器风速测量方法。由于风速传感器自身的机械结构和设计过程限制，很难保证风速的实时准确测量。特别是在低风速地区的风速测量中，大惯性矩的接触式风速传感器往往对低风速不敏感。无传感器风速测量是未来的发展方向。其中包括采用卡尔曼滤波和牛顿算法被用来观测风速的有效值，同时T-S模型也被用于观测风速的有效值。上述方法虽然有效，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：分别建立永磁同步电机和风力发电机的数学模型以及不确定模型；/n步骤2：针对永磁同步电机的电流内环和转速外环分别设计二阶积分滑模控制器，实现对电流和转速的跟踪；/n步骤3：通过改进的变速灰狼优化算法对控制器参数进行寻优以提高控制精度；/n步骤4：采用级联耦合观测器和扰动观测器分别对转子转速、转子位置和负载转矩进行估计；/n步骤5：利用改进的组合径向基函数神经网络对风速有效值进行估计，提高风速估计精度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：分别建立永磁同步电机和风力发电机的数学模型以及不确定模型；
步骤2：针对永磁同步电机的电流内环和转速外环分别设计二阶积分滑模控制器，实现对电流和转速的跟踪；
步骤3：通过改进的变速灰狼优化算法对控制器参数进行寻优以提高控制精度；
步骤4：采用级联耦合观测器和扰动观测器分别对转子转速、转子位置和负载转矩进行估计；
步骤5：利用改进的组合径向基函数神经网络对风速有效值进行估计，提高风速估计精度。


2.根据权利要求1所述的基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法，其特征在于，步骤1中，永磁同步电机数学模型包括静止坐标系、同步旋转坐标系和运动方程的数学模型，风力发电机数学模型包括气动模型和传动系统模型，具体如下：
永磁同步电机静止坐标系数学模型：



其中，iα和iβ分别是α轴和β轴定子电流；uα和uβ分别是α轴和β轴定子电压；Ls是定子电感；Rs是定子电阻；ψf是磁链；ωe和θe分别是电转速和位置；
永磁同步电机同步旋转坐标系数学模型：



其中，id和iq分别是d轴和q轴定子电流；ud和uq分别是d轴和q轴定子电压；ωm是机械转速；np是极对数并且满足ωe＝npωm；
令电流状态量xi＝[id,iq]T和电流输入量ui＝[ud,uq]T，则有



其中，
永磁同步电机运动方程：



其中，J为转动惯量；Bm为粘性摩擦系数；TL为负载转矩；Te为电磁转矩；
永磁同步电动机采用磁场定向控制，d轴电流维持在零附近以最大化输出转矩，因此，解耦后的电磁转矩Te表达式为：



令和则有



其中，取转速ω＝ωm和转速输入量uω＝iq；
风力发电机气动模型：



其中，Cp是功率系数；v是来流风速；ρ是空气密度；R是风轮转子半径；Pa是功率；



其中，ωr是叶片转速；λ是叶尖速比；






其中，β为桨距角；c1、c2、c3、c4、c5、c6分别为风力发电机参数系数；λi为中间变量；
风力发电机传动系统模型：



其中，和分别是总的转动惯量和总的阻尼系数；ng为传动比；Jr为风轮转动惯量；Jg为发电机转动惯量；Dr为转子侧阻尼系数；Dg为发电机侧阻尼系数；
不确定模型：






其中，ΔAi,ΔBi,ΔAω,ΔBω,Δdi,Δdω分别为系数矩阵Ai,Bi,Aω,Bω,di,dω的不确定性；
现取gi(t)＝[gid(t),giq(t)]T＝ΔAixi+ΔBiui+di+Δdi和gω(t)＝ΔAωω+ΔBωuω+dω+Δdω代表式(10a)和(10b)的总扰动；因此式(10a)和(10b)被重新写为：






系统的总扰动gi(t)和gω(t)是连续的并且满足和其中Dd，Dq和Dω是已知的正常数；为解耦后的d轴总扰动变化速率；为解耦后的q轴总扰动变化速率；
整合式(11a)和(11b)得如下表达式：



其中，x＝[xi,ω]T；A＝diag{Ai,Aω}；B＝diag{Bi,Bω}；u＝[ui,uω]T；g(t)＝[gi(t),gω(t)]T。


3.根据权利要求2所述的基于风速估计的风力发电机最大功率跟踪无传感器鲁棒控制方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：
定义d轴和q轴定子电流跟踪误差以及转速跟踪误差分别为：






eω＝ω*-ω(12c)
其中，和分别是d轴和q轴定子参考电流；ω*是参考转速；
根据eid,eiq和eω建立状态误差向量e＝[eid,eiq,eω]T，根据参考值和ω*建立参考状态向量根据实际值id，iq和ω建立状态向量x＝[id,iq,ω]T，则有误差向量：
e＝x*-x(13)
基于式(12)和(13)，取σ＝[σd,σq,σω]T∈R3×1作为一阶滑模面向量，同时取s＝[sd,sq,sω]T∈R3×1作为二阶滑模面向量；其中，σd、σq、σω分别为关于d轴电流、q轴电流和转速的一阶滑模面；sd、sq、sω分别为关于d轴电流、q轴电流和转速的二阶滑模面；
基于跟踪误差设计滑模控制器；一阶滑模面为：



二阶滑模面为：



其中，可调参数矩阵α＝diag{αid,αiq,αω}，γ＝diag{γid,γiq,γω}和β＝diag{βid,βiq,βω}是正定对称矩阵；αid、γid、βid分别为关于d轴电流滑模面的可调参数；βiq、αiq、γiq分别为关于q轴电流滑模面的可调参数；γω、βω、αω分别为关于转速滑模面的可调参数；
对式(14a)分别取一阶导数和二阶导数可得：






对式(14b)分别取一阶导数和二阶导数可得：






控制律u设计为：



忽略模型不确定性和扰动，等效控制律ueq的导数设计为：



切换控制律usw的导数设计为：



其中，可调参数矩阵k1＝diag{ki1d,ki1q,k...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖玲斐，马磊明，陈勇兴，黄欣浩，孟祥硕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32