CN102662323B - 风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法及系统，包括编码器、运动控制卡、驱动控制板、变频器和变桨电机，所述编码器用于检测变桨电机实际机械位置角θ；所述运动控制卡用于接收整机控制系统发出的位置指令信号θ^*，再结合编码器提供的机械位置角θ，实现自适应滑模控制方法，计算出电磁转矩指令信号发送到驱动控制板；所述驱动控制板根据生成驱动信号，通过所述变频器对所述变桨电机进行控制。

Description

风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电的变桨距距控制，具体涉及一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法及系统。

背景技术

随着全球面临的资源枯竭和人类环保意识的增强，风能作为一种可再生、绿色能源越来越受到人们关注。但是，风能的转换过程实质上是一个由风速引起的随机过程。并且，风力发电系统中的参数有些不是精确可知，实际运行过程中还会遇到风速、风向和负载的变化等，如何在参数不能精确可知的情况下使所设计的控制器具有简单的算法和较强的鲁棒性以及具有良好的动态特性，是风力发电系统的一个重要难题，同时也是一个有价值的控制问题。目前，兆瓦级以上风力发电机组多采用电动变桨距执行机构，通过对变桨距电机的运动控制实现叶片桨距角的变化，以适应风力发电过程中的诸多不确定因素。

在机组运行过程中，变桨距系统受到参数不确定性和外部扰动的影响，例如：覆冰现象可引起叶片转动惯量的显著变化，粘滞摩擦系数受制造和装配工艺的影响不易精确测定，同时还存在非线性摩擦力和时变负载转矩的影响。而目前变桨距执行机构多采用经典PI控制，对模型参数不确定性和外部扰动的鲁棒性较差，不能保证在所有工况下实现对桨距给定的精确跟踪。

自适应滑模控制方法具有不依赖于被控对象的精确参数、对外部扰动具有强鲁棒性、控制输入平滑、实现简单等优点。应用该技术，可使变桨距执行机构的跟踪性能得到提高，从而达到改善能量捕获、功率输出、优化载荷等目的。

经初步检索，查找到一些与变桨距控制相关的专利及技术方案，与本案侧重点不一样，并未发现变桨距执行机构控制相关的资料。

发明内容

本发明目的在于：针对风力发电机组变桨距系统存在的转动惯量、粘滞摩擦系数等参数不确定性以及负载转矩扰动，提出一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法及系统，利用在线参数估计和非线性控制分别实现对未知参数及外部扰动的鲁棒性，改善风力发电机组变桨距系统的瞬态和稳态性能，实现桨叶的快速精确定位。

本发明采用的技术方案是：

风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤一：由位置指令信号                                                和变桨电机实际机械位置角计算位置跟踪误差和速度跟踪误差；

步骤二：设计滑模面；

步骤三：将电磁转矩指令信号划分为等价控制项，非线性控制项、自适应律和趋近律四个部分进行设计；

步骤四：根据电磁转矩指令信号，由硬件控制模块对变桨距执行机构进行控制。

进一步地，上述步骤一中的位置跟踪误差和速度跟踪误差按如下表达式计算：

进一步地，上述步骤二中的滑模面按如下方程实现：

式中为滑模面增益。

进一步地，上述步骤三中的电磁转矩指令信号、等价控制项、非线性控制项、趋近律和自适应律按如下表达式设计：

式中依次为转动惯量、粘滞摩擦系数、转矩扰动及其它不确定性作用的汇总项，为的自适应估计值，，为的估计边界，L代表趋近速率。的时变自适应增益矩阵，为的Frobenius范数，的最大值，为可调参数，，和分别为和经过一阶低通滤波的值，为时变遗忘速率，的最大值，的指数，函数线性区域的宽度，为符号函数，为投影修正函数，为根据先验信息确定的参数闭空间，的边界，处的单位法向量。

进一步地，上述步骤四中，电磁转矩指令信号，经过驱动控制板得到相应的驱动信号，通过变频器对变桨电机进行控制，实现桨叶的定位。

基于上述自适应滑模控制方法的控制系统，包括编码器、运动控制卡、驱动控制板、变频器和变桨电机，所述编码器用于检测变桨电机实际机械位置角；所述运动控制卡用于接收整机控制系统发出的位置指令信号，再结合编码器提供的机械位置角，实现自适应滑模控制方法，计算出电磁转矩指令信号发送到驱动控制板；所述驱动控制板根据生成驱动信号，通过所述变频器对所述变桨电机进行控制。

进一步地，所述编码器电连接所述变桨电机和运动控制卡，所述运动控制卡电连接所述驱动控制板，所述驱动控制板电连接所述变频器，所述变频器电连接所述变桨电机。

本发明的有益效果是：采用自适应滑模方法对变桨距电机的位置进行控制，通过等价控制项实现期望的滑动模态，利用非线性控制项消除或削弱系统不确定性带来的影响，趋近律用于改善瞬态过程、合理限制稳态误差，通过自适应提高系统对参数的鲁棒性。该方法可实现持续激励条件下跟踪误差和参数估计误差的指数收敛，有效改善系统的瞬态特性，提高系统对参数大范围突变的适应性。

附图说明

图1是本发明变桨距执行机构控制方法原理图；

图2是自适应滑模控制方法原理图；

图3是本发明便将执行机构控制系统结构图；

图中，1编码器，2运动控制卡，3驱动控制板，4变频器，5变桨电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。以一台风力发电机组的变桨距电机为例，如图1、图2所示，风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，主要包括以下四个步骤：

步骤一：由位置指令信号和变桨电机实际机械位置角计算位置跟踪误差和速度跟踪误差；

步骤二：设计滑模面；

步骤三：将电磁转矩指令信号划分为等价控制项，非线性控制项、自适应律

和趋近律四个部分进行设计；

步骤四：根据电磁转矩指令信号，由硬件控制模块对变桨距执行机构进行控制。

进一步地，上述步骤一中的位置跟踪误差和速度跟踪误差按如下表达式计算：

进一步地，上述步骤二中的滑模面S按如下方程实现：

式中为滑模面增益。

进一步地，上述步骤三中的电磁转矩指令信号、等价控制项、非线性控制项、趋近律和自适应律按如下表达式设计：

式中依次为转动惯量、粘滞摩擦系数、转矩扰动及其它不确定性作用的汇总项，的自适应估计值，，计边界，代表趋近速率。的时变自适应增益矩阵，的Frobenius范数，的最大值，为可调参数，经过一阶低通滤波的值，为时变遗忘速率， 函数中误差的指数，函数线性区域的宽度，为符号函数，为投影修正函数，为根据先验信息确定的参数闭空间，，处的单位法向量。

进一步地，上述步骤四中，电磁转矩指令信号，经过驱动控制板得到相应的驱动信号，通过变频器对变桨电机进行控制，实现桨叶的定位。

如图3所示，基于上述自适应滑模控制方法的控制系统，包括编码器1、运动控制卡2、驱动控制板3、变频器4和变桨电机5，所述编码器1用于检测变桨电机5的实际机械位置角；所述运动控制卡2用于接收整机控制系统发出的位置指令信号，再结合编码器1提供的机械位置角，实现自适应滑模控制方法，计算出电磁转矩指令信号发送到驱动控制板3；所述驱动控制板3根据生成驱动信号，通过所述变频器4对所述变桨电机5进行控制。

进一步地，所述编码器1电连接所述变桨电机5和运动控制卡2，所述运动控制卡2电连接所述驱动控制板3，所述驱动控制板3电连接所述变频器4，所述变频器4电连接所述变桨电机5。

实施例

以1.65MW双馈风力发电系统为例，采用本发明提出的方法进行控制，如图1、图2所示，风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，具体实施过程如下：

（1）利用编码器检测变桨电机的实际机械位置角。

（2）运动控制卡接收整机控制系统发出的位置指令信号和编码器提供的位置反馈信号。

（3）运动控制卡的处理单元（如数字信号处理器、单片机等）实现所述自适应滑模控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ. 计算位置跟踪误差和速度跟踪误差，

Ⅱ. 设计滑模面为所设计的滑模面增益；

Ⅲ. 根据下列各式计算电磁转矩指令；

式中为等价控制项，为非线性控制项，为趋近律，为自适应律；为模型参数向量，依次为转动惯量、粘滞摩擦系数、转矩扰动及其它不确定性作用的汇总项，的自适应估计值；

为回归器向量，和分别为的一阶和二阶导数；为的估计边界，为趋近律增益；的时变自适应增益矩阵，的Frobenius范数，的最大值，为可调参数，，经过一阶低通滤波的值，为时变遗忘速率，的最大值，为符号函数，为投影修正函数，的指数，代表线性区域的宽度；为先验信息确定的参数闭空间，，的单位法向量。

（4）电磁转矩指令信号，经过驱动控制板得到相应的驱动信号，通过变频器对变桨电机进行控制。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，仅用于进一步阐述本发明的技术方案，并不对本发明的保护范围作任何限制，本领域普通技术人员，在不脱离本发明实质和技术启示的前提下所做的等效变换、变形和润饰，均应视为在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤一：由位置指令信号θ^*和变桨电机实际机械位置角θ计算位置跟踪误差e和速度跟踪误差

步骤二：设计滑模面S；

步骤三：将电磁转矩指令信号划分为等价控制项非线性控制项自适应律和趋近律四个部分进行设计；

步骤四：根据电磁转矩指令信号由硬件控制模块对变桨距执行机构进行控制；

上述步骤三中的电磁转矩指令信号等价控制项非线性控制项趋近律和自适应律按如下表达式设计：

$T_e^{*}=T_{\mathrm{ec}}^{*}+T_{\mathrm{nc}}^{*}+T_{\mathrm{al}}^{*}+T_{\mathrm{ac}}^{*}$

$T_{\mathrm{nc}}^{*}=-\mathrm{\ρfal}(S,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})$

$T_{\mathrm{al}}^{*}=-\mathrm{LS}$

$\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|\mathrm{\ϵ}\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\ϵ}\right),\left|\mathrm{\ϵ}\right|>\mathrm{\δ},\\ \mathrm{\ϵ}/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},\left|\mathrm{\ϵ}\right|\≤\mathrm{\δ},\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

${\mathrm{Proj}}_{\widehat{\mathrm{\ξ}}}\left(\mathrm{\Γ\τ}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Γ\τ}\\ (I-\mathrm{\Γ}\frac{{\mathrm{gg}}^T}{g^T\mathrm{\Γg}})\mathrm{\Γ\τ}\end{array}\right.$ 如果 $\widehat{\mathrm{\ξ}}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\ξ}}$ 或 $\widehat{\mathrm{\ξ}}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\ξ}}^O,$ (Γτ)^Tg≤0

式中ξ＝[J,B,f]^T，J、B、f依次为转动惯量、粘滞摩擦系数、转矩扰动及其它不确定性作用的汇总项，为ξ的自适应估计值，ρ为f的估计边界，L代表趋近速率L＞0，P为3×3的时变自适应增益矩阵，||P||为P的Frobenius范数，||P||_max为||P||的最大值，R＞0为可调参数，W_f和分别为W和经过一阶低通滤波的值，χ为时变遗忘速率，χ_max为χ的最大值，α为fal函数中误差e的指数，δ代表fal函数线性区域的宽度，sgn为符号函数，Proj为投影修正函数，Ω_ξ为根据先验信息确定的参数闭空间，为Ω_ξ的边界，g为处的单位法向量。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，其特征在于，步骤一中的位置跟踪误差e和速度跟踪误差按如下表达式计算：

$\left\{\begin{array}{c}e=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{*}\\ \stackrel{\·}{e}=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^{*}\end{array}\right..$

3.根据权利要求1所述的一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，其特征在于，上述步骤二中的滑模面S按如下方程实现：

$S=e+\mathrm{\λ}\stackrel{\·}{e}$

式中λ＞0为滑模面增益。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法，其特征在于，进一步地，上述步骤四中，电磁转矩指令信号经过驱动控制板得到相应的驱动信号，通过变频器对变桨电机进行控制，实现桨叶的定位。

5.用于实现权利要求1-4任意一项所述风力发电变桨距执行机构的自适应滑模控制方法的控制系统，其特征在于，包括编码器、运动控制卡、驱动控制板、变频器和变桨电机，所述编码器用于检测变桨电机实际机械位置角θ；所述运动控制卡用于接收整机控制系统发出的位置指令信号θ^*，再结合编码器提供的机械位置角θ，实现自适应滑模控制方法，计算出电磁转矩指令信号发送到驱动控制板；所述驱动控制板根据生成驱动信号，通过所述变频器对所述变桨电机进行控制，上述步骤三中的电磁转矩指令信号等价控制项非线性控制项趋近律和自适应律按如下表达式设计：

$T_e^{*}=T_{\mathrm{ec}}^{*}+T_{\mathrm{nc}}^{*}+T_{\mathrm{al}}^{*}+T_{\mathrm{ac}}^{*}$

$T_{\mathrm{nc}}^{*}=-\mathrm{\ρfal}(S,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})$

$T_{\mathrm{al}}^{*}=-\mathrm{LS}$

$\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|\mathrm{\ϵ}\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\ϵ}\right),\left|\mathrm{\ϵ}\right|>\mathrm{\δ},\\ \mathrm{\ϵ}/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},\left|\mathrm{\ϵ}\right|\≤\mathrm{\δ},\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

${\mathrm{Proj}}_{\widehat{\mathrm{\ξ}}}\left(\mathrm{\Γ\τ}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Γ\τ}\\ (I-\mathrm{\Γ}\frac{{\mathrm{gg}}^T}{g^T\mathrm{\Γg}})\mathrm{\Γ\τ}\end{array}\right.$ 如果 $\widehat{\mathrm{\ξ}}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\ξ}}$ 或 $\widehat{\mathrm{\ξ}}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\ξ}}^O,$ (Γτ)^Tg≤0

式中ξ＝[J,B,f]^T，J、B、f依次为转动惯量、粘滞摩擦系数、转矩扰动及其它不确定性作用的汇总项，为ξ的自适应估计值，ρ为f的估计边界，L代表趋近速率L＞0，P为3×3的时变自适应增益矩阵，||P||为P的Frobenius范数，||P||_max为||P||的最大值，R＞0为可调参数，W_f和分别为W和经过一阶低通滤波的值，χ为时变遗忘速率，χ_max为χ的最大值，α为fal函数中误差e的指数，δ代表fal函数线性区域的宽度，sgn为符号函数，Proj为投影修正函数，Ω_ξ为根据先验信息确定的参数闭空间，为Ω_ξ的边界，g为处的单位法向量。

6.根据权利要求5所述控制系统，其特征在于，所述编码器电连接所述变桨电机和运动控制卡，所述运动控制卡电连接所述驱动控制板，所述驱动控制板电连接所述变频器，所述变频器电连接所述变桨电机。