一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，包括：建立变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型；将动态双质量块驱动动力学模型转换成等价数学模型；针对等价数学模型，采用反推法，完成实际控制器的设计；针对由变速模式下风力发电机的等价数学模型和所设计的实际控制器所形成的闭环系统，进行稳定性分析；给出变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制半实物仿真实验。本发明专利技术可为变速模式下风力发电机进行建模，实现变速模式下风力发电机的指定时间内的跟踪控制，保证风力发电机在运行过程中无超调跟踪响应，提高风力发电机运行的安全性、可靠性和操纵稳定性。可靠性和操纵稳定性。可靠性和操纵稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于风力发电机控制
，涉及一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]风力发电机作为一种捕获风能的关键设备，在减少化石燃料使用方面发挥着关键作用。值得注意的是，风力发电机对气象条件具有严重的依赖性、结构庞大并且运行的环境严峻复杂。如今，现代风力发电机通常在变速模式下运行，这使得风力发电机可以在尽可能长的时间以最佳气动效率运行，并且比在定速模式下承受更小的功率波动和运行负荷。
[0003]在变速模式下运行的风力发电机，其结构特性、动力学特性以及环境特性都比在定速模式运行下的风力发电机更为复杂，其主要特点包括工作范围大、系统动态复杂、元部件较多，因此具有很强的非线性特性。这些因素使得风力发电机的建模和控制研究极具科学性和挑战性。风力发电机在变速模式下运行时有多个控制等级。在最高控制等级上，监测控制系统检测涡轮机的转子转速和风速，确定何时启动涡轮机，何时因风速过高停止涡轮机以确保安全；中层控制是涡轮控制，包括发电机转矩控制、桨距控制和偏航控制。内部发动机、电力电子设备和俯仰执行控制器在最低控制等级上。
[0004]目前，针对变速模式下运行的风力发电机，研究人员已经开展了一系列的建模、调节和控制工作，具体包括：避免风速测量的鲁棒非线性控制、噪声抑制、基于自适应模糊逻辑的风力发电机控制、在变速模式下运行的风力发电机的有限时间控制。但是，受传统有限时间稳定性理论固有的限制与不足，现有的有限时间跟踪控制技术需要借助于风力发电机精确的初始状态来估计收敛时间。实际上，风力发电机通常运行在嘈杂的环境中，因此很难获得精确的初始状态，这对风力发电机的控制效果会造成显著的负面影响，所以不能很好地满足控制需求。此外，现有的跟踪控制技术并不能对风力发电机输出的瞬态行为进行监测，包括跟踪过程中的转子转速受到的约束和转子转速跟踪误差的超调响应，这导致风力发电机运行的安全性和操纵稳定性无法保证。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，能够对变速模式下的风力发电机的复杂动力学进行建模，实现变速模式下风力发电机的指定时间的跟踪控制且不需要精确的初始状态，保证风力发电机在运行过程中转子转速受到时变约束和转子转速跟踪误差无超调，提高风力发电机运行的安全性、可靠性和操纵稳定性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、首先建立变速模式下风力发电机的风能模型和电能模型，进而得到风能模型、电能模型和转子力矩T
a
之间的关系式；通过变速模式下风力发电机的风能模型和电能模型，并借助于变速模式下风力发电机的双质量块驱动模型，建立变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型；
[0009]步骤2、通过对高速轴转子角度和低速轴转子角度作差并引入巧妙的坐标变换，将变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型转换成易于控制的双质量块驱动等价数学模型；
[0010]步骤3、针对所建立的变速模式下风力发电机的双质量块驱动等价数学模型，利用反推法、和指定时间有关的分段连续时间尺度函数和时变障碍李雅普诺夫函数，经过设计虚拟控制信号和实际控制信号，完成实际控制器的设计，由此形成相应的闭环系统；
[0011]步骤4、针对由变速模式下风力发电机的双质量块驱动等价数学模型和步骤3所设计的实际控制器所形成的闭环系统，进行稳定性分析：根据李雅普诺夫函数和李雅普诺夫函数的导数的形式，利用李雅普诺夫稳定性理论，首先证明变速模式下风力发电机转子转速的跟踪误差在指定时间T内收敛到0且在时间大于等于T时恒等于0，然后利用洛必达定理和迫敛原理，证明控制器u(t)在指定时刻t＝T是连续的，进一步证明控制器u(t)在区间[0，+∞)上是连续的；再利用反证法证明变速模式下风力发电机的转子转速在跟踪理想参考信号的过程中，不会发生跟踪误差的超调现象；最后直接计算出高低速轴转子角度差的表达式，来证明在区间[0，+∞)上的有界性。
[0012]具体地，在所述的步骤1中：
[0013]变速模式下的风力发电机的风能模型为：
[0014][0015]变速模式下的风力发电机的电能模型为：
[0016][0017]其中，ρ代表空气密度，r
w
代表叶尖半径，v
ω
代表风的速度，C
p
代表功率系数，是桨距角和叶尖速度比的函数，ω是转子转速；
[0018]变速模式下的风力发电机产生的电能、转矩与转子转速建立的模型为：
[0019][0020]变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型为：
[0021][0022]其中，机械转矩T
a
(t)是驱动力，J
r
，J
g
，T
ls
(t)，T
hs
(t)，T
g
(t)分别代表转子惯量、发电机惯量、低速轴转矩、高速轴转矩和发电机转矩；b
r
，b
g
，C
s
，K
s
分别表示阻尼系数和扭转系数，θ(t)代表高速轴角，θ
ls
(t)代表低速轴角，n
g
(t)表示齿轮箱减速比，ω
g
(t)代表高速轴转速，w
ls
(t)代表低速轴转速。
[0023]具体地，所述步骤2的过程包括：
[0024]步骤2
‑
1、通过对高速轴转子角度和低速轴转子角度作差，引出新的高低速轴转子角度差变量该变换使得(4)式给出的变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型简化为：
[0025][0026][0027][0028]步骤2
‑
2、结合几何控制方法，引入新的坐标变换，进一步简化上述变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型，引入坐标变换如下：
[0029][0030]结合式(8)，变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型(5)
‑
(7)被进一步简化为：
[0031][0032]定义控制信号为：定义输出为：y＝x1，其中，，其中，
[0033]步骤2
‑
3、结合非线性系统控制方法和控制需求，进一步引入新的坐标变换，将变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型转化为易于控制的双质量块驱动等价数学模型，引入坐标变换如下：
[0034][0035]其中，应用坐标变换(10)，变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型(9)式被等价成如下双质量块驱动等价数学模型：
[0036][0037]其中，其中，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、首先建立变速模式下风力发电机的风能模型和电能模型，进而得到风能模型、电能模型和转子力矩T
a
之间的关系式；通过变速模式下风力发电机的风能模型和电能模型，并借助于变速模式下风力发电机的双质量块驱动模型，建立变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型；步骤2、通过对高速轴转子角度和低速轴转子角度作差并引入巧妙的坐标变换，将变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型转换成易于控制的双质量块驱动等价数学模型；步骤3、针对所建立的变速模式下风力发电机的双质量块驱动等价数学模型，利用反推法、和指定时间有关的分段连续时间尺度函数和时变障碍李雅普诺夫函数，经过设计虚拟控制信号和实际控制信号，完成实际控制器的设计，由此形成相应的闭环系统；步骤4、针对由变速模式下风力发电机的双质量块驱动等价数学模型和步骤3所设计的实际控制器所形成的闭环系统，进行稳定性分析：根据李雅普诺夫函数和李雅普诺夫函数的导数的形式，利用李雅普诺夫稳定性理论，首先证明变速模式下风力发电机转子转速的跟踪误差在指定时间T内收敛到0且在时间大于等于T时恒等于0，然后利用洛必达定理和迫敛原理，证明控制器u(t)在指定时刻t＝T是连续的，进一步证明控制器u(t)在区间[0，+∞)上是连续的；再利用反证法证明变速模式下风力发电机的转子转速在跟踪理想参考信号的过程中，不会发生跟踪误差的超调现象；最后直接计算出高低速轴转子角度差的表达式，来证明在区间[0，+∞)上的有界性。2.根据权利要求1所述的一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，其特征在于，在所述的步骤1中：变速模式下的风力发电机的风能模型为：变速模式下的风力发电机的电能模型为：其中，ρ代表空气密度，r
ω
代表叶尖半径，v
ω
代表风的速度，C
′
p
代表功率系数，是桨距角和叶尖速度比的函数，ω是转子转速；变速模式下的风力发电机产生的电能、转矩与转子转速建立的模型为：变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型为：其中，机械转矩T
a
(t)是驱动力，J
r
，J
g
，T
ls
(t)，T
hs
(t)，T
g
(t)分别代表转子惯量、发电机惯量、低速轴转矩、高速轴转矩和发电机转矩；b
r
，b
g
，C
s
，K
s
分别表示阻尼系数和扭转系数，θ
(t)代表高速轴角，θ
ls
(t)代表低速轴角，n
g
(t)表示齿轮箱减速比，ω
g
(t)代表高速轴转速，w
ls
(t)代表低速轴转速。3.根据权利要求1所述的一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤2的过程包括：步骤2
‑
1、通过对高速轴转子角度和低速轴转子角度作差，引出新的高低速轴转子角度差变量该变换使得(4)式给出的变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型简化为：块驱动动力学模型简化为：块驱动动力学模型简化为：步骤2
‑
2、结合几何控制方法，引入新的坐标变换，进一步简化上述变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型，引入坐标变换如下：结合式(8)，变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型(5)
‑
(7)被进一步简化为：定义控制信号为：定义输出为：y＝x1，其中，，其中，步骤2
‑
3、结合非线性系统控制方法和控制需求，进一步引入新的坐标变换，将变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型转化为易于控制的双质量块驱动等价数学模型，引入坐标变换如下：其中，应用坐标变换(10)，变速模式下风力发电机的动态双质量块驱动动力学模型(9)式被等价成如下双质量块驱动等价数学模型：
其中，其中，4.根据权利要求1所述的一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤3的过程包括：步骤3
‑
1、引入两个新的误差变量：误差变量z
l
为输出信号和参考信号的差值，误差变量z2为第二个状态信号和虚拟控制信号的差值：考虑到变速模式下风力发电机输出的初值和理想参考信号初值之间的关系，可以分为两种情况分别设计(1)如果β1(0)＜y(0)≤y
d
(0)，那么(2)如果y
d
(0)≤y(0)＜β2(0)，(0)，都是连续可微函数；步骤3
‑
2、分别结合上述(1)或(2)两种情况下所设计的虚拟控制律引入正定的李雅普诺夫函数V，设计实际控制器，使得李雅普诺夫函数V的导数负定，从而实现对变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制；选择正定李雅普诺夫函数为：其中，如果β1(0)＜u(0)≤y
d
(0)，那么如果y
d
(0)≤y(0)＜β2(0)，那么根据式子(16)和(18)，李雅普诺夫函数V的导数为：其中，如果β1(0)＜y(0)≤y
d
(0)，那么如果y
d
(0)≤y(0)＜β2(0)，那么接下来，设计状态反馈律为：其中，γ2是一个正常数，因此，实际的控制器为：其中，将式(20)带入式(19)，李雅普诺夫函数V的导数满足：其中，至此，完成了对变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制的实际控制器的设计。5.根据权利要求4所述的一种变速模式下风力发电机的指定时间和指定性能的跟踪控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，设计的过程为：(1)如果风力发电机输出的初值在输出约束下界初值β1(0)和跟踪的理想参考信号初值
y
d
(0)之间，即β1(0))＜y(0)≤y
d
(0)；引入跟踪的理想参考信号y
d
(t)和输出约束下界β1(t)的差值变量δ1(t)＝y
d
(t)
‑
ω(t)，进一步引入时变障碍李雅普诺夫函数V1，结合反步法，设计出虚拟控制律；引入的时变障碍李雅普诺夫函数为：其中p≥1是一个整数；根据(11)和(12)，时变障碍李雅普诺夫函数V1的导数为：设计虚拟控制律为α1，表达式为：其中，v，σ，和γ1都是正常数，并且满足：考虑到下式成立：可得时变障碍李雅普诺夫函数V1的导数满足：其中，6.根据权利要求4所述的一种变速模式下风力发电机的指定...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娇娇，孙宗耀，殷县龙，任世纪，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：