一种基于T-S模糊模型的风电机组H-infinity变桨距控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于T

【技术实现步骤摘要】
一种基于T
‑
S模糊模型的风电机组H
‑
infinity变桨距控制方法


[0001]本专利技术属于风电机组控制
，具体而言，涉及一种采用T
‑
S模糊模型理论与H
‑
infinity理论技术的变桨距控制方法。

技术介绍

[0002]风能资源丰富、可再生、清洁，风能发电被认为是最有前途的新能源发电。近年来，风力发电机组正由定桨距向变桨距发展。当风速超过额定风速时，变桨距控制系统开始工作，改变桨叶节距角，限制风能利用率即限制风电机组捕获的风能，从而将风机转速和其输出功率限制在额定值。当前的风力发电机组绝大多数都具有变桨控制系统，变桨控制系统的任务是将发电机转速实际值维持在发电机转速目标值附近。
[0003]中国专利技术专利CN 105402087 A公开了风电机组变桨距切换控制方法，将风速测量信号数据自动收集，自动判断风电机组是否处于额定风速附近的阵风风况，进一步根据风速变化率的变化自适应调整变桨控制系统的PI控制器参数和变桨指令限速模块中的限速值。无需提前变桨，不会造成风电机组在额定风速以下发电功率损失。
[0004]CN 113217275 A公开了一种基于策略迭代的风电机组变桨距控制方法，能够使变桨距控制器充分学习风速变化与桨距角之间的内在关系，给出合理的桨距角控制信号。从而，能够有效平抑风速变化引起的输出功率波动，提升风电机组的输出功率，减小由变桨距执行机构多余动作引起的额外的疲劳载荷。
[0005]目前的风力发电机组变桨距控制方法，面对非线性、时峦、耦合及控制参数和结构不确定的复杂过程时，不能很好地发挥其作用，影响风机发电量。同时无法在外部环境的强干扰下获得较高的稳定性，因此无法获得较为理想的效果，而加强系统的抗干扰能力会使得提升算法难度以及提高数学建模的需求。

技术实现思路

[0006]针对现有技术所存在的上述不足，为解决现实生活中风力场的难以控制，以及风力环境多变难以预测的情况，本专利技术的目的在于提供一种将T
‑
S模糊理论与H
‑
infinity理论相结合的变桨距控制方法。该种方法与精确反馈线性化相比，算法更为简单，对系统的数学模型要求很低。如果线形化点数足够多并且隶属度函数选取适当，则系统可以无限逼近原非线性系统，有效提高了建模的精度。而H
‑
infinity控制器有很好的鲁棒控制性能，对变风电系统非常适用。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种基于T
‑
S模糊模型的风电机组H
‑
INFINITY变桨距控制方法，该方法包括如下步骤：
[0009]第一步，确定风速四分量模型，
[0010]获得风电场的风速波动数据，从而掌握风电机组的动态特性，
[0011]基本风可以由风电场测风所得的威布尔(Weibull)分布参数近似确定：
[0012][0013]其中：为基本风速(m/s)；A为威布尔分布的尺度参数；K为威布尔分布的形状参数；为伽玛函数；
[0014]阵风V
WG
，描述风速突然变化的特性，阵风表示：
[0015][0016]其中：V
cos
＝(V
WGmax
/2){1
‑
cos2π[(t/T
G
)
‑
(T
1G
/T
G
)]}；V
WG
，T
G
，T
1G
，V
WGmax
分别为阵风风速，周期，阵风启动时间和阵风最大值；
[0017]渐变风V
WR
，风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟：
[0018][0019]其中：V
ramp
＝V
WRmax
[1
‑
(t
‑
T
2R
)/(T
1R
‑
T
2R
)]；V
WR
，V
WRmax
，T
1R
，T
2R
，T
R
分别为渐变风风速，最大值，渐变风起始时间，终止时间，和保持时间。
[0020]随机风V
WN
，风速变化的随机性可用随机噪声风速成分来表示：
[0021][0022]其中：N为统计风速总数，Vw为风速频率间距，为0:2π之间均匀分布的随机变量，K
N
为地表粗糙系数；F为扰动范围，μ为相对高度的平均风速。
[0023]实际风速一般为基本风、阵风、渐变风、随机风这四个风速分量的部分或者全部的叠加。
[0024]第二步，确定风电机组模型，
[0025]风机的动态方程为：
[0026][0027]其中：J为风机及发电机总转动惯量；T
gen
为发电机的电磁转矩；T
aero
为风机气动转矩，为整个机组的驱动力矩，T
aero
可表示为：
[0028][0029]其中：ρ为空气密度；C
P
为风能利用系数；λ为叶尖速比；ν为风速；β为叶片节距角；R为风轮半径，ω
r
为风机转速。叶尖速用下式表示：
[0030][0031]本文中风能利用系数采用下式的特性曲线：
[0032][0033]其中：
[0034]桨距角执行机构为一阶惯性环节：
[0035][0036]其中：T
β
为时间常数。
[0037]由于存在滞后，测速装置用一个一阶惯性环节来表示：
[0038][0039]其中：ω
rm
为速度传感器测得的风力机的角速度，T
ω
为时间常数。
[0040]以上方程(5)
‑
(10)构成了风力机组的非线性模型
[0041][0042]这是一个三阶非线性系统，状态变量有桨叶节距角β、风轮转速ω
r
、风机的测量转速ω
rm
。
[0043]第三步，设计T
‑
S模糊控制器，
[0044]本专利技术采用T
‑
S模糊系统理论设计控制器，方法是：首先，在多个不同的工况点将非线性系统化为若干个线性子系统；然后为各个子系统设计控制器；最后通过隶属度函数将各个子系统的控制器相叠加，得到系统的全局控制器。
[0045]非线性系统的状态方程如下：
[0046][0047]则该非线性系统的模糊状态方程模型可以描述为：
[0048][0049][0050]由此即可得出整个非线性系统的状态方程式：
[0051][0052]式中，μ
i
(x)为x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于T
‑
S模糊模型的风电机组H
‑
infinity变桨距控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.确定风速四分量模型，获得风电场的风速波动数据，从而掌握风电机组的动态特性，基本风可以由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定：其中：为基本风速(m/s)；A为威布尔分布的尺度参数；K为威布尔分布的形状参数；为伽玛函数；阵风V
WG
，描述风速突然变化的特性，阵风表示：其中：V
cos
＝(V
WGmax
/2){1
‑
cos2π[(t/T
G
)
‑
(T
1G
/T
G
)]}；V
WG
，T
G
，T
1G
，V
WGmax
分别为阵风风速，周期，阵风启动时间和阵风最大值；渐变风V
WR
，风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟：其中：V
ramp
＝V
WRmax
[1
‑
(t
‑
T
2R
)/(T
1R
‑
T
2R
)]；V
WR
，V
WRmax
，T
1R
，T
2R
，T
R
分别为渐变风风速，最大值，渐变风起始时间，终止时间，和保持时间；随机风V
WN
，风速变化的随机性可用随机噪声风速成分来表示：其中：N为统计风速总数，Vw为风速频率间距，为0:2π之间均匀分布的随机变量，K
N
为地表粗糙系数；F为扰动范围，μ为相对高度的平均风速；S2.确定风电机组模型，风机的动态方程为：
其中：J为风机及发电机总转动惯量；T
gen
为发电机的电磁转矩；T
aero
为风机气动转矩，为整个机组的驱动力矩，T
aero
可表示为：其中：ρ为空气密度；C
P
为风能利用系数；λ为叶尖速比；ν为风速；β为叶片节距角；R为风轮半径，ω
r
为风机转速；叶尖速用下式表示：本发明中风能利用系数采用下式的特性曲线：其中：桨距角执行机构为一阶惯性环节：其中：T
β
为时间常数；由于存在滞后，测速装置用一个一阶惯性环节来表示：其中：ω
rm
为速度传感器测得的风力机的角速度，T
ω
为时间常数；以上方程(5)
‑
(10)构成了风力机组的非线性模型这是一个三阶非线性系统，状态变量有桨叶节距角β、风轮转速ω
r
、风机的测量转速ω
rm
；S3.设计T
‑
S模糊控制器，本发明采用T
‑
S模糊系统理论设计控制器，方法是：首先，在多个不同的工况点将非线性系统化为若干个线性子系统；然后为各个子系统设计控制器；最后通过隶属度函数将各个子系统的控制器相叠加，得到系统的全局控制器；非线性系统的状态方程如下：
则该非线性系统的模糊状态方程模型可以描述为：则该非线性系统的模糊状态方程模型可以描述为：由此即可得出整个非线性系统的状态方程式：式中，μ
i
(x)为x属于M
i
的隶属度函数，同时也表示第i条规则的适用度；在模糊控制系统中，选择隶属度函数主要有模糊统计、主观经验等方法；最常用的隶属度函数形式有正态型、三角型和Z型隶属度函数三种，这里采用三角型隶属度函数，表达式如式(14)所示；S4.求取T
‑
S模糊控制器，任取一个平衡点(x0,u0)，则其满足式：然后再用泰勒级数把上式展开，并且把高次项省略掉，得：其中Δx＝x
‑
x0，Δu＝u
‑
u0，运用H
‑
infinity理论求取各个线性子系统的状态反馈控制器；并行分配补偿法控制器设计如下then u
i
(t)＝
‑
K
i
x(t)然后根据并行分配补偿法控制器设计思路，将各个线性子系统的状态反馈控制器通过隶属度函数叠加起来就是整个系统的控制规律：其中，S5.确定H
‑
infinity控制方法，P(s)是一个线性时不变系统，由以下状态空间描述：
其中：x∈R
n
是状态向量，u∈R
m
是控制输入，y∈R
p
是测量输出，z∈R
r
是被调输出，ω∈R
q
是外部扰动，A,B1,B2,C1,D
11
,D
12
,C2,D
21
,D
22
为常数矩阵，A∈R
n
×
n
，B1∈R
n
×
q
，B2∈R
n
×
m
，C1∈R
r
×
n
，D
11
∈R
r

【专利技术属性】
技术研发人员：张超群，秦生升，陈煜坚，曹志鹏，陈睿琪，刘庭轩，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：