一种定桨距风力机的内模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种定桨距风力机的内模控制方法，属于风力发电系统控制技术。本发明专利技术通过重构模型的逆形成内模控制器，对气动转矩扰动进行补偿，从而保证风力机工作在额定风速以上时即工作在深失速区时的稳定性。在整个设计风速范围内对定桨距风力机进行变速控制，通过控制发电机的电磁转矩进而调节风力机转速，达到定桨风力机功率控制的目的；本发明专利技术提高了风能利用效率，改善了定桨距风力机在额定风速以上输出功率特性差的缺点，解决了风力机运行于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为，属于风力发电系统控制

技术介绍
由于能源紧缺，风能的开发与利用得到了全世界的关注。目前应用广泛的风力机主要有 定桨距失速型风力机和变桨距风力机。定桨距失速型风力机因其结构简单、性能可靠，无需 复杂的变桨距控制系统，在风力发电系统中得到了广泛应用。但由于转速固定不变，风力机只在某个风速点具有最大风能利用系数，因此风能利用率较低；并且其桨叶节距角固定不变， 在高风速区只依靠桨叶自身的失速特性无法实现风力机的恒功率输出。输出功率特性曲线如 附图l所示。变桨距变速型风力机釆用了变桨距技术，桨叶和整机的受力状况大为改善，这 对大型风力发电机的总体设计十分有利。在低风速区变桨距机构不起作用，通过控制发电机 转速，实现风力机的最大功率跟踪；在高风速区变桨距机构开始作用，桨叶节距角随风速变 化而不断改变，以调节风能利用系数，使风力机的输出功率稳定在其额定值。输出功率特性 曲线如附图2所示。由于该型风力机釆用了复杂的变桨距控制系统，增加了制造和维护成本。 若定桨距风力机能够达到变桨距风力机的风能利用效果，将大大减小风力发电机的成本。
技术实现思路
本专利技术为一种定桨距风力机在整个设计风速范围内的功率控制方法，它通过重构模型的逆 形成内模控制器对气动转矩扰动进行4Hf尝，保证风力机工作在额定风速以上时的稳定性，通过转 矩观测器获得气动转矩的状态估计值，并通过转矩一转速曲线得到定桨距风力机的参考转速，通过控制风力机转速，达到对定桨距风力机功率控制的目的。所述控制方法包括如下环节1) 通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值7W，并通过转矩一转速曲线得到定桨距 风力机的参考转速Wi/,若风力机与发电机之间有齿轮箱，则发电机的转速期望值为 w'=(yifkN,《N为齿轮箱变速比，若无齿轮箱，取/^=1;2) 通过重构控制对象模型Gn(力获得估计的转速Wg;3) 将风力机的实际转速Wf与2)所述的转速Wg作差，得到转速误差信号^y^4) 将定桨距风力发电机的参考转速^与3)所述转速误差信号zk^作差得到转速误差信5) 通过重构控制对象模型GnW的逆形成内模控制器GcOO,定桨距风力发电机输出转速 的表达式为 )=——~~ * 1-G風W s为频域拉普拉斯算子，^Cy)为风力发电机的期望转速给定，7U》为气动转矩，D(s)为气动转矩干 扰平移至输出端的传递函数D(s)=GPW, Gp(力为风力发电机的数学模型，G(力为控制对象真3实模型。当扰动导致发电机转速增加时，叶尖速比A-wi /v会增加，由附图(3)知当风力机运 行于力矩不稳定区时，风力机的转矩系数增加，这将导致风力机的气动转矩增加，上式表明 如果GeCs)为传统的线性控制器，会进一步加剧转速的增加，形成一个正反馈，最终导致风力 发电机飞车，如果扰动导致转速减小，则会导致风力发电机停车。由上式知当选择 GcW呵GnW]时，抵消气动转矩扰动的影响，风力机的转速也可认为是发电机的转速由给定的转速期望值决定，w(力二， 一 ，Gc,(-),Gl ,、、必*(》,由扰动引起的转速变化得到补偿，l + GcO)(GCy)-GnO))抑制正反馈的形成，保证定桨距风力机在深失速区稳定运行。为了保证内模控制器Gc(》的可实现性，在其中加入低通滤波器G(力，内模控制器的最终实现形式为GcC h0(力[Gn(力]:6)将4)所述的转速误差信号z^2经过内模控制器GcW得到发电机电磁转矩参考信号 V;将r/除以一个与风力发电机结构相关的常数得到电流调节器q轴电流的期望给定值，将 电流调节器d轴电流的期望给定值设为0,并将电流调节器的输出进行SVPWM调制就得到 了实际的发电机定子端PWM整流器的驱动信号；本专利技术能够对定桨距风力机在整个设计风速范围内的运行施加有效控制，解决了当风力 机运行于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机，同时提高 了定桨距风力机的风能利用效率，改善了其在额定风速以上输出功率特性差的缺点。与变桨 距变速型风力机相比，该系统没有变桨距机构与变桨距控制器，具有结构简单、成本低廉、 稳定可靠的突出优点。附图说明图1为定桨距失速型风力机输出功率特性曲线图2为变桨距变速型风力机输出功率特性曲线图3定桨距风力机的转矩系数曲线图4为最佳转矩一转速曲线图5为定桨距风力机内模控制框图图6为定桨距变速风力发电机系统组成框图图7为q轴电流控制框图具体实施方案定桨距风力发电机系统组成框图如附图(6)。风力机将风能转换为机械能，永磁同步电机 在风力机的带动下旋转，将轴上吸收的风能转变为电能，通过控制发电机定子侧的PWM整 流器达到调节发电机电磁转矩，进而控制风力机转速的目的。并网逆变器对发电机输出电能 进行管理。控制系统所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到。采用 TMS320LF2407DSP控制器完成定桨距变速风力发电机的变速制系统的设计。具体的实施方 案分为两个步骤l)设计电磁转矩控制器；2)设计内模控制器；1)电磁转矩控制器设计过程如下电磁转矩控制器也即电流控制器，釆用较成熟的矢量控制技术进行设计，首先用电流传感 器检测出永磁同步电机定子三相电流,'a、 /b、 /并将定子三相电流经过clarke变换，得到两相 静止坐标系的电流!;和再经过park变换将两相静止坐标系下的电流/a和/p变换成两相旋转坐标系下的电流&和Zq。 /d和/q即为电流环的反馈电流，对于永磁同步电机期望的电流给定为 /qVTeV(1.5p^/), p为极对数，^为转子励磁磁链，Te'为发电机的电磁转矩给定，为了提高发电机的功率因数，减少转矩脉动，设d轴电流给定由fd*=0。附图(7)为q轴电流控制框图，d轴 电流控制框图以及调节器参数与q轴一样。q轴电流环控制对象的传递函数为1/(￡计及)，其中 丄为定子电感，及为定子绕组电阻。考虑到电流环需要较快的跟踪能力，采用PI调节器按典型 1型系统来整定调节器的参数，PI调节器的传弟函数为Gi(力-kKw+l》，式中k,^/(37^pwM),T尸i:/i ,尺pwm为pwm整流器的桥路等效增益，当釆用svpwm调制时a:pwm=i。2)由步骤l)可得到电磁转矩环的闭环传递函数为re/re^V/q^^^^QT^+l),转速控制器即内模控制器设计过程如下内模控制器的结构图如附图(5),通过转矩观测器来估计气动转矩的状态值7W,在DSP 中依据最佳转矩一转速曲线通过查表的方式获得风力发电机期望转速w、Wi/,图(4)为最佳转 矩一转速曲线，它的获取是通过现场实验测得，测量的依据为在低风速时实现最大风能跟踪， 随着风速的增加，风力机的气动转矩、转速都相应增加，当转速达到风力机的额定转速后，随 着风速的增加，风力机的转速保持不变，但风力机的输出功率继续增加，气动转矩增加，当风 力机的输出功率达到其额定值后保持不变，此后气动转矩与转速的乘积为风力机恒定的输出功 率。采用转速传感器测得永磁同步电机的输出转速Wf,电磁转矩的期望给定值r/经过重构的 控制对象模型便可以得到永磁同步电机的输出转速估计值Wg，将永磁同步电机的输出转速^f 与输出转速估计值g作差得到信号A^，将风力机期望转速c/^,/与」化作差，得到内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定桨距风力机的内模控制方法，其特征在于：通过重构模型的逆形成内模控制器对气动转矩扰动进行补偿，保证风力机工作在深失速区时的稳定性，改善风力机在低风速区的动态特性，通过控制发电机的电磁转矩进而调节风力机转速，达到对定桨风力机功率控制的目的，所述控制方法包括如下环节：　１）通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值（Ｔ↓［ｍ１］），并通过转矩－转速曲线得到定桨距风力机的参考转速（ω↓［ｉｆ］↑［＊］），若风力机与发电机之间有齿轮箱，则发电机的转速期望值为ω↑［＊］＝ω↓［ｉｆ］ ↑［＊］Ｋ↓［Ｎ］，Ｋ↓［Ｎ］为齿轮箱变速比，若无齿轮箱，取Ｋ↓［Ｎ］＝１；　２）通过重构控制对象模型（Ｇ↓［ｎ］（ｓ））获得估计的转速（ω↓［ｇ］）；　３）将风力发电机的实际转速（ω↓［ｆ］）与２）所述的转速（ω↓［ｇ］）作差，得 到转速误差信号（Δω↓［１］）；　４）将定桨距风力发电机的参考转速（ω↑［＊］）与３）所述转速误差信号（Δω↓［１］）作差得到转速误差信号（Δω↓［２］）；　５）通过重构控制对象模型（Ｇ↓［ｎ］（ｓ））的逆形成内模控制器（Ｇ↓［ｃ］（ｓ ）），定桨距风力发电机输出转速的表达式为：ω（ｓ）＝Ｇ↓［ｃ］（ｓ）Ｇ（ｓ）／（１＋Ｇ↓［ｃ］（ｓ）（Ｇ（ｓ）－Ｇ↓［ｎ］（ｓ）））ω↑［＊］（ｓ）＋（１－Ｇ↓［ｃ］（ｓ）Ｇ↓［ｎ］（ｓ））／（１＋Ｇ↓［ｃ］（ｓ）（Ｇ（ｓ）－Ｇ↓［ｎ］（ｓ）））Ｄ（ｓ）Ｔｍ（ｓ），ｓ为频域拉普拉斯算子，ω↑［＊］（ｓ）为风力发电机的期望转速给定，Ｔ↓［ｍ］（ｓ）为气动转矩，Ｄ（ｓ）为气动转矩干扰平移至输出端的传递函数：Ｄ（ｓ）＝Ｇ↓［ｐ］（ｓ），Ｇ↓［ｐ］（ｓ）为风力发电机的数学模型，Ｇ（ｓ）为控制对象真实模型，当选择Ｇ↓［ｃ］（ｓ）＝［Ｇ↓［ｎ］（ｓ）］↑［－１］，抵消气动转矩扰动的影响，保证定桨距风力机在深失速区稳定运行，为了保证内模控制器Ｇ↓［ｃ］（ｓ）的可实现性，在其中加入低通滤波器Ｑ（ｓ），内模控制器的最终实现形式为Ｇ↓［ｃ］（ｓ）＝Ｑ（ｓ）［Ｇ↓［ｎ］（ｓ）］↑［－１］；　６）将４）所述的转速误差信号（Δω↓［２］）经过内模控制器（Ｇｃ（ｓ））得到发电机电磁转矩参考信号（Ｔ↓［ｅ］↑［＊］），将（Ｔ↓［ｅ］↑［＊］）除以一个与发电机结构相关的常数得 到电流调节器ｑ轴电流的期望给定值，将电流调节器ｄ轴电流的期望给定值设为０，并将电流调节器的输出进行ＳＶＰＷＭ调制就得到了实际的...

【技术特征摘要】
1、一种定桨距风力机的内模控制方法，其特征在于通过重构模型的逆形成内模控制器对气动转矩扰动进行补偿，保证风力机工作在深失速区时的稳定性，改善风力机在低风速区的动态特性，通过控制发电机的电磁转矩进而调节风力机转速，达到对定桨风力机功率控制的目的，所述控制方法包括如下环节1)通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值(Tm1)，并通过转矩-转速曲线得到定桨距风力机的参考转速(ωif*)，若风力机与发电机之间有齿轮箱，则发电机的转速期望值为ω*＝ωif*KN，KN为齿轮箱变速比，若无齿轮箱，取KN＝1；2)通过重构控制对象模型(Gn(s))获得估计的转速(ωg)；3)将风力发电机的实际转速(ωf)与2)所述的转速(ωg)作差，得到转速误差信号(Δω1)；4)将定桨距风力发电机的参考转速(ω*)与3)所述转速误差信号(Δω1)作差得到转速误差信号(Δω2)；5)通过重构控制对象模型(Gn(s))的逆形成内模控制器(Gc(s))，定桨距风力发电机输出转速的表达式为<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&omega;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>G</mi> <mi>c</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>G</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub> <mi>G</mi> <mi>c</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>G</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>G</mi><mi>n</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><msup> <mi>&omega;</mi> <mo>*</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mo>...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡祖荣，马运东，王俊琦，邢岩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]