一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法，该方法包括以下步骤：步骤S1、将气动载荷非线性模型在稳态工作点附近进行线性化，构建风机线性化模型；步骤S2、基于风轮转速ω、叶片根部载荷M

【技术实现步骤摘要】
一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法


[0001]本专利技术涉及风力发电领域，尤其是涉及一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法。

技术介绍

[0002]随着风电机组大型化的发展，风轮直径也在不断增大。尤其是风轮直径增加导致风轮叶片承受来流时变、风切变、塔影效应等影响产生的不平衡载荷愈加明显，引起桨叶产生大范围的挥舞和摆振，严重影响到风电机组关键部件的机械应力和疲劳寿命。
[0003]独立变桨距控制的每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，按照各桨叶所处不同位置和不同风速分别进行调节，不仅能跟踪实现最大风能的捕获和稳定发电机的输出功率，而且能有效减小桨叶的拍打震动以及风机的其他扰动影响，从而大幅提高风机的稳定性和耐疲劳寿命。
[0004]目前，有独立变桨控制策略较多采用基于智能算法的PID控制，这种方法使得计算量大大增加，并且对于风速实时变化风电机组而言，将导致风电机组频繁地变桨，这将大大增加机组地疲劳载荷，降低其使用寿命。
[0005]针对以上问题，亟需设计一种变桨控制方法，从而实现捕获最大风能和稳定发电机的输出功率，提高风机的稳定性和耐疲劳寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种风机稳定性高和耐疲劳寿命长的基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供了一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤S1、将气动载荷非线性模型在稳态工作点附近进行线性化，构建风机线性化模型；
[0010]步骤S2、基于风轮转速ω、叶片根部载荷M
Yi
和叶片方位的控制输入，采用非奇异快速终端滑模NFTSM控制器对风机进行功率控制和载荷协同控制，得到每个风机浆叶的桨距角。
[0011]优选地，所述步骤S1中的风机线性化模型为：
[0012][0013]其中，ω为风轮转速，B为等效阻尼系数，T
g
为发电机转矩，J为总的风轮转动惯量，
M
tilt
为倾覆力矩，M
yaw
为偏航力矩；β
icm
和u
icm
分别为变换到轮毂固定坐标系上的第个i叶片对应的桨距角和风速，x
fa
为塔架顶部前后方向位移，R
b
为风轮半径，H为塔架高度；h
Mx
、h
Mz
和k
Mx
、k
Mz
分别为叶片根部弯矩对风速和桨距角的导数，下标M
x
表示为塔筒前后弯曲力矩，下标M
z
表示为叶根挥舞力矩。
[0014]优选地，所述步骤S2具体为：
[0015]所述功率控制具体为：以风轮转速ω为输入信号，并与转速参考信号ω
*
做差得到误差信号给到NFTSM转速控制器，得到一个桨距角输出信号β
1cm
；
[0016]所述载荷控制具体为：以叶片根部载荷M
Yi
和叶片方位作为输入，经过变换得到轮毂固定坐标系下的倾覆力矩M
tilt
和偏航力矩M
yaw
，并于分别与倾覆力矩参考信号M
*tilt
和偏航力矩参考信号M
*yaw
做差得到误差信号，分别给到NFTSM倾覆力矩控制器以及NFTSM偏航力矩控制器，得到桨距角输出信号β
2cm
和β
3cm
，并将这两个信号经过逆变换得到叶片旋转坐标系下的桨距角信号Δβ
i
(i＝1,2,3)，最终得到第i个桨叶的桨距角为β
i*
＝Δβ
i
+β
1cm
(i＝1,2,3)。
[0017]优选地，所述载荷控制中的变换为Coleman变换。
[0018]优选地，所述非奇异快速终端滑模NFTSM控制器的滑模面为：
[0019][0020]其中，e为系统状态误差，系数α>0，γ>0，a/b>1，m、n为正奇数，且满足2>m/n>1。
[0021]优选地，所述NFTSM转速控制器具体为：
[0022]NFTSM转速控制器的滑模面为：
[0023][0024]其中，e为系统状态误差，系数α>0，γ>0，a/b>1，m、n为满足2>m/n>1的正奇数；
[0025]NFTSM转速控制器的滑模控制律为：
[0026][0027]其中，H(s
ω
)为双曲正切函数，表达式为H(s
ω
)＝tanh(s
ω
)；η>0；ω
*
表示参考的转速。
[0028]优选地，所述NFTSM倾覆力矩控制器具体为：
[0029]NFTSM倾覆力矩控制器的滑模面为：
[0030][0031]其中，e为系统状态误差，系数α>0，γ>0，a/b>1，m、n为满足2>m/n>1的正奇数；
[0032]NFTSM倾覆力矩控制器的滑模面控制律为：
[0033][0034]其中，为双曲正切函数，表达式为η
>0；表示参考的倾覆力矩。
[0035]优选地，所述NFTSM偏航力矩控制器具体为：
[0036]NFTSM偏航力矩控制器的滑模面为：
[0037][0038]其中，e为系统状态误差，系数α>0，γ>0，a/b>1，m、n为正奇数，且满足2>m/n>1；
[0039]NFTSM偏航力矩控制器的滑模面控制律为：
[0040][0041]其中，为双曲正切函数，表达式为|，η>0；表示参考的偏航力矩。
[0042]根据本专利技术的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
[0043]根据本专利技术的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
[0044]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0045]1)本专利技术采用的非奇异快速终端滑模不仅收敛速度快，而且有效抑制抖振，动态性能优越，是一种可靠的变桨控制方法；
[0046]2)本专利技术中使用的NFTSM控制的动态性能优越，能够有效地将输出功率稳定在额定功率，并且采用了双曲正切函数能够有效降低抖振，对于大型风电机组而言，降低了关键部件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1、将气动载荷非线性模型在稳态工作点附近进行线性化，构建风机线性化模型；步骤S2、基于风轮转速ω、叶片根部载荷M
Yi
和叶片方位的控制输入，采用非奇异快速终端滑模NFTSM控制器对风机进行功率控制和载荷协同控制，得到每个风机浆叶的桨距角。2.根据权利要求1所述的一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的风机线性化模型为：其中，ω为风轮转速，B为等效阻尼系数，T
g
为发电机转矩，J为总的风轮转动惯量，M
tilt
为倾覆力矩，M
yaw
为偏航力矩；β
icm
和u
icm
分别为变换到轮毂固定坐标系上的第个i叶片对应的桨距角和风速，x
fa
为塔架顶部前后方向位移，R
b
为风轮半径，H为塔架高度；h
Mx
、h
Mz
和k
Mx
、k
Mz
分别为叶片根部弯矩对风速和桨距角的导数，下标M
x
表示为塔筒前后弯曲力矩，下标M
z
表示为叶根挥舞力矩。3.根据权利要求1所述的一种基于非奇异快速终端滑模的变桨控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：所述功率控制具体为：以风轮转速ω为输入信号，并与转速参考信号ω
*
做差得到误差信号给到NFTSM转速控制器，得到一个桨距角输出信号β
1cm
；所述载荷控制具体为：以叶片根部载荷M
Yi
和叶片方位作为输入，经过变换得到轮毂固定坐标系下的倾覆力矩M
tilt
和偏航力矩M
yaw
，并于分别与倾覆力矩参考信号M
*tilt
和偏航力矩参考信号M
*yaw
做差得到误差信号，分别给到NFTSM倾覆力矩控制器以及NFTSM偏航力矩控制器，得到桨距角输出信号β
2cm
和β
3cm
，并将这两个信号经过逆变换得到叶片旋转坐标系下的桨距角信号Δβ
i
(i＝1,2,3)，最终得到第i个桨叶的桨距角为β
i*
＝Δβ
i

【专利技术属性】
技术研发人员：洪炫宇，李建国，陈殿辉，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：