CN101603503B - 一种定桨距风力机的内模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布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。

Description

一种定桨距风力机的内模控制方法

技术领域

本发明为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领域。

背景技术

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1所示。变桨距变速型风力机采用了变桨距技术，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。由于该型风力机采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。

发明内容

本发明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补偿，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-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： $\mathrm{\ω}\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)(G\left(s\right)-G_n\left(s\right))}{\mathrm{\ω}}^{*}\left(s\right)+\frac{1-G_c\left(s\right)G_n\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)(G\left(s\right)-G_n\left(s\right))}D\left(s\right)T_m\left(s\right),$ 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。当扰动导致发电机转速增加时，叶尖速比λ＝ωR/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G_c(s)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G_c(s)＝[G_n(s)]^-1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， $\mathrm{\ω}\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)(G\left(s\right)-G_n\left(s\right))}{\mathrm{\ω}}^{*}\left(s\right),$ 由扰动引起的转速变化得到补偿，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Δω₂经过内模控制器G_c(s)得到发电机电磁转矩参考信号T_e ^*；将T_e ^*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；

本发明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-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：1)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，采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i_a、i_b、i_c，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i_α和i_β，再经过park变换将两相静止坐标系下的电流i_α和i_β变换成两相旋转坐标系下的电流i_d和i_q。i_d和i_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i_q ^*＝T_e ^*/(1.5pψ)，p为极对数，ψ为转子励磁磁链，T_e ^*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i_d ^*＝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/(Ls+R)，其中L为定子电感，R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G_i(s)＝k₁(τ₁s+1)/s，式中k₁＝R/(3T_sK_PWM)，τ₁＝L/R，K_PWM为PWM整流器的桥路等效增益，当采用SVPWM调制时K_PWM＝1。

2)由步骤1)可得到电磁转矩环的闭环传递函数为T_e/T_e ^*＝i_q/i_q ^*＝Φ(s)≈(3T_ss+1)，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T_m1，在DSP中依据最佳转矩-转速曲线通过查表的方式获得风力发电机期望转速ω^*＝ω_if ^*，图(4)为最佳转矩-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ω_f，电磁转矩的期望给定值T_e ^*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ω_g，将永磁同步电机的输出转速ω_f与输出转速估计值ω_g作差得到信号Δω₁，将风力机期望转速ω^*＝ω_if ^*与Δω₁作差，得到内模控制器的输入信号Δω₂。考虑电磁转矩内环的影响，重构的控制对象模型为：G_n(s)＝Φ(s)G_p(s)，上式中G_p(s)＝1/(js+B)为风力发电机的数学模型，Φ(s)＝(3T_ss+1)为电磁转矩环的闭环传递函数，所以G_n(s)＝1/(Js+B)(3T_ss+1)≈1/(Js(3T_ss+1))，其中T_s为PWM整流器的开关周期，J为风力发电机转动惯量，B为摩擦系数，一般情况下B较小，可以忽略其影响，根据重构的控制对象模型可以求出内模控制器的传递函数，G_c(s)＝[G_n(s)]^-1即G_c(s)＝Js(3T_ss+1)，考虑物理上的可实现性，在内模控制器中加入低通滤波器Q(s)，内模控制器的最终实现形式为G_c(s)＝Q(s)[G_n(s)]^-1。转速控制器的输出为电磁转矩的期望给定值T_e ^*。

综合上述过程、结合附图(5)可得系统开环传递函数： $G_K\left(s\right)=\frac{G_C\left(s\right)\mathrm{\Φ}\left(s\right)G_P\left(s\right)}{1-G_n\left(s\right)G_C\left(s\right)}=\frac{Q\left(s\right)}{1-Q\left(s\right)},$ 闭环传递函数： ${\mathrm{\Φ}}_K\left(s\right)=\frac{G_K\left(s\right)}{1+G_K\left(s\right)}=Q\left(s\right),$ 表明系统的稳定性取决于Q(s)。

实施例之一

本实施例中所采用的定桨距风轮叶片C_p(λ)参数如表1所示，桨叶最大风能利用系数C_pmax等于0.365；桨叶半径R为4m；最佳叶尖速比λ_opt为6.75；风轮的切入风速4.5m/s，切出风速25m/s，额定风速12m/s；空气密度ρ等于1.25kg/m³；风力机额定输出功率10kW。

表1

λ	0.5	0.8	1	1.25	1.50	1.75	2	2.25	2.5
										Cp	0.0025	0.0036	0.0044	0.0053	0.0062	0.0070	0.0090	0.0113	0.015
λ	2.75	3	3.25	3.5	3.75	4	4.25	4.5	4.75
										Cp	0.048	0.087	0.122	0.158	0.188	0.22	0.246	0.27	0.285
λ	5	5.25	5.5	5.75	6	6.25	6.5	6.75	7
										Cp	0.305	0.326	0.33	0.351	0.354	0.359	0.364	0.365	0.364
λ	7.25	7.5	7.75	8	8.25	8.5	8.75	9	9.25
										Cp	0.358	0.353	0.348	0.344	0.338	0.332	0.328	0.324	0.315
λ	9.5	9.25	9.75	10	10.25	10.5	10.75	11	11.25
										Cp	0.304	0.278	0.273	0.25	0.236	0.218	0.199	0.182	0.158
λ	12	12.25	12.5	12.75
										Cp	0.144	0.116	0.0875	0.0255

实施例中所采用的发电机为隐极式永磁同步发电机，发电机额定功率10kW，极对数p等于8，定子电感L为5mH，定子绕组电阻R等于0.1Ω，转子励磁磁链ψ等于0.57Wb，B为摩擦系数，B＝0.05，转动惯量J为1kg×m²。发电机与风力机之间无齿轮箱，为直驱式风力发电机，去掉齿轮箱有助于降低机组成本，延长机组使用寿命。PWM整流器的开关频率为f_s＝2kHz，开关周期为T_s＝1/f_s＝500μs。

在本实施例中取Q(s)＝(2τs+1)/(τs+1)²，τ决定着系统的动态特性和鲁棒性，越小，系统响应越快但鲁棒性越差，容易引起振荡，反之，越大，系统鲁棒性越好，但响应越缓慢。因此，理想控制器应当根据系统的期望特性在线调整其参数，在本实施例中在线调整取τ＝0.005。

将系统参数代入所设计的控制器：

附图(7)中：K_PWM＝1，K_PWM/(0.5T_ss+1)＝1/(0.00025s+1)，1/(T_ss+1)＝1/(0.0005s+1)，

1/(Ls+R)＝1/(0.005s+0.1)

由步骤1)知：

PI调节器：G_i(s)＝k₁(τ₁s+1)/s＝66.7(0.05s+1)/s

附图(5)中：G_p(s)＝1/(Js+B)＝1/(s+0.05)，Φ(s)＝(3T_ss+1)＝1/(0.0015s+1)

气动转矩干扰平移至输出端的传递函数：D(s)＝G_p(s)＝1/(s+0.05)

由步骤2)知：

重构的控制对象模型为：G_n(s)＝1/(Js(3T_ss+1))＝1/(s(0.0015s+1))＝1/(0.0015s²+s)

低通滤波器：Q(s)＝(2τs+1)/(τs+1)²＝(0.01s+1)/(0.005s+1)²

内模控制器为：G_c(s)＝Js(3T_ss+1)(2τs+1)/(τs+1)²＝s(0.0015s+1)(0.01s+1)/(0.005s+1)²

系统的闭环传递函数为Φ_K(s)＝Q(s)＝(2τs+1)/(τs+1)²，当τ＝0.005时系统稳定。

Claims (1)

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，达到对定桨距风力机功率控制的目的，所述定桨距风力机的内模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_ml，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)所述的估计转速ω_g作差，得到转速误差信号Δω₁；

4)将定桨距风力发电机的期望转速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：

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Δω₂经过内模控制器G_c(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1.5pΨ_r，其中p为发电机转子极对数，Ψ_r为发电机转子磁链，由此得到电流调节器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，并将其输出进行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。

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