CN103306894B - 基于线性变参数增益调度的风力发电机组h∞控制器 - Google Patents

基于线性变参数增益调度的风力发电机组h∞控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高系统动态稳定性的控制器，属于自动化控制领域，尤其涉及一种基于线性变参数增益调度的风力发电机组H控制器设计，其控制系统由GOT人机界面（1）、主控电路（2）、驱动电路（3）、U/I检测电路(4)、PLC（5）、保护电路（6）、电机（7）、速度检测器（8）及速度检测电路（9）组成，本发明采用了线性变参数增益调度控制算法及鲁棒H控制理论，提高了风电系统的稳定性，抗干扰性和响应速度，使风力发电机具有良好的鲁棒稳定性和动态性能，实现了良好的风机控制，进而提高了风电机组的输出功率。

Description

基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器
技术领域
本发明涉及一种自动化控制器，尤其涉及一种基于线性变参数增益调度的风力发电机组H控制器。
背景技术
由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。
风电机组的控制方法有很多，各种控制方法都有成功应用的实例。但随着风电机组的容量增大，控制越来越复杂，特别是对机组动态稳定性要求越来越高。对于不同型风电机组运行区间的划分和模型参数大范围变化、输入风的湍流变化，难以控制的多变量的系统，单一的PID常规的控制算法，很难满足稳定可靠运行的要求，因而其控制结果往往产生过大的超调或波动，不能保证一定的鲁棒稳定性和可靠性能。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于线性变参数增益调度的风力发电机组H控制器，目的是设计出具有抑制扰动与不确定性，对稳定性和品质具有强健鲁棒性，而闭环响应跟踪又快的控制器，以提高大型风力发电机组运行的稳定性。
本发明解决其技术问题采用的方法是：
一种基于线性变参数增益调度的风力发电机组H控制器,由GOT人机界面、主控电路、驱动电路、U/I检测电路、PLC、保护电路、电机、速度检测器及速度检测电路组成，GOT人机界面与PLC连接，PLC经驱动电路与主控电路连接，主控电路的输出分别与电机和U/I检测电路相连接，电机连接速度检测器，速度检测器经速度检测电路、保护电路接入PLC，U/I检测电路经保护电路接入PLC。
一种基于线性变参数增益调度的风力发电机组H控制器的控制方法：
（1）控制器采用了线性变参数增益调度控制算法，主控电路发出控制指令，将工频电源变成电压或电流及频率可调的交流电源来为电机供电；
（2）PLC接收来自GOT人机界面的运算指令，将外部的转速、转矩等指令同U/I检测电路的电压、电流信号进行比较运算，决定变频后输出的电压和频率;
驱动电路将主控电路产生的PWM信号进行功率放大，以使主控电路的功率开关器件导通、关断;
（4）在电机转轴上加装速度检测器，由速度检测电路将检测速度信号送入PLC，构成速度闭环控制;
（5）设置保护回路检测主控电路的电压、电流值等，当发生过载或过电压等异常时，停止工作或抑制电压、电流值，以防止电机及回路的损坏；
（6）当风速过高或过低时，控制器的闭环控制结构可以保证电机的动态稳定性，PLC根据风速大小来控制改变电压频率，GOT人机界面实时监控U/I检测电路返回的电压值和速度检测电路返回的速度信号值，再结合线性变参数增益调度控制算法及鲁棒H控制理论，通过改变频率大小来实时改变电压值，以使输出电压值保持在误差允许的范围内。
所述主控电路中，采用电容器吸收脉动电压，当电机处于再生制动状态时，再生能量通过与开关器件并联的二极管反馈至平滑电路电容器中，使直流电压升高。
该控制器是通过设计局部控制器，利用插值的方法得到全局控制器；其本质特征是用线性控制器的设计方法，设计参数相依或非线性时变系统的控制器。
根据不同风况，分别在高风速和低风速区域设计不同的控制器。
本发明的优点及效果是：
1．参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。
2．线性变参数(LPV)方法允许的参数集以直接的方式被处理，这样得到的控制器在预先定义的运行范围内能够保证一定的稳定性和性能。
3．对于不同型风电机组运行区间的划分、模型参数大范围变化、输入风的湍流变化以及控制多变量的系统，采用结合增益调度控制算法和H∞线控制理论的方法可使风电机组安全、稳定可靠的运行。
4．在电机转轴上加装速度检测器，检测速度信号送入运算回路，构成速度闭环控制,提高了系统的自动化程度。
5．当电机处于再生制动状态时，再生能量通过与开关器件并联的二极管反馈至平滑电路电容器中，使直流电压升高，并达到节能效果。
6、根据不同风况，分别在高风速和低风速区域设计不同的LPV H∞控制器，在低风速区域输出电机转速能够更好的跟踪风速，高风速区域提高了响应速度和动态稳定性。
本发明提高了风电系统的稳定性，抗干扰性和响应速度，使风力发电机具有良好的鲁棒稳定性和动态性能，实现了良好的风机控制，进而提高了风电机组的输出功率。
附图说明
图1是系统控制结构图
图2是变速变桨距风力发电机组控制框图
图中：1、GOT人机界面，2、主控电路，3、驱动电路，4、U/I检测电路，5、PLC，6、保护电路，7、电机，8、速度检测器，9、速度检测电路，10、气动子系统，11、机械子系统，12、电气子系统，12、桨距伺服系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明进一步说明。
一种基于线性变参数（LPV）增益调度的风力发电机组H控制器，结合了线性变参数增益调度控制算法及鲁棒H控制理论，并将其应用于双馈式变速变桨距风力发电机组中。如图1，控制系统由GOT人机界面1、主控电路2、驱动电路3、U/I检测电路4、PLC5、保护电路6、电机7、速度检测器8以及速度检测电路9组成，GOT人机界面1与PLC5连接，PLC5经驱动电路3与主控电路2连接，主控电路2的输出分别与电机7和U/I检测电路4相连接，电机7连接速度检测器8，速度检测器8经速度检测电路9、保护电路6接入PLC5，U/I检测电路4经保护电路6接入PLC5
该控制器以PLC5为控制核心，驱动电路3接收指令后可提供5V、24V直流电源。U/I检测电路4再将检测到的模拟信号转换成数字信号发送给PLC5进行计算，根据计算结果控制电机7运行，速度检测器8以及速度检测电路9再将电机7的实时速度信号反馈给PLC5，保护电路6可提供抑制电压、电流的方式来保护整个电路，系统的操控及监视均可在GOT人机界面1上实现。
数学模型： 
从图2中知，变速变桨距风力发电机组控制系统由四部分组成，分别为气动子系统10，机械子系统11，电气子系统12和桨距伺服系统13，由于最主要的动力在机械子系统中11，因此可以把风力发电机组看作是经受外界气流和电机作用力的机械结构。因此采用简化后的机械系统三阶数学模型：
其中：是转矩角， 和分别是风轮转子和发电机转子转速，和分别是传动链的刚度和阻尼，和分别是风轮和发电机的转动惯量；风轮的气动转矩为， 是空气密度，是桨叶半径，是转矩系数， 是叶尖速比，是桨距角，是风速；将稳态电机转矩特性近似的线性为，是发电机阻尼，是零转矩转速；风轮的气动转矩是风速，转速和桨距角的非线性函数，将其反馈线性化为：，变桨距控制时，引入桨距角，桨距激励在其线性操作区域可以描述为：。
最后得到机械子系统的LPV变参数模型：
其中：，，
LPV模型的矩阵为：
   
    
其中：

Claims (4)

1.基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器，其特征在于由GOT人机界面（1）、主控电路（2）、驱动电路（3）、U/I检测电路（4）、PLC（5）、保护电路（6）、电机（7）、速度检测器（8）及速度检测电路（9）组成，GOT人机界面（1）与PLC（5）连接，PLC（5）经驱动电路（3）与主控电路（2）连接，主控电路（2）的输出分别与电机（7）和U/I检测电路（4）相连接，电机（7）连接速度检测器（8），速度检测器（8）经速度检测电路（9）、保护电路（6）接入PLC（5），U/I检测电路（4）经保护电路（6）接入PLC（5）；
上述基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器的控制方法是：
（1）控制器采用了线性变参数增益调度控制算法，主控电路（2）发出控制指令，将工频电源变成电压或电流及频率可调的交流电源来为电机（7）供电；
（2）PLC（5）接收来自GOT人机界面（1）的运算指令，将外部的转速、转矩等指令同U/I检测电路(4)的电压、电流信号进行比较运算，决定变频后输出的电压和频率;
（3）驱动电路(3)将主控电路（2）产生的PWM信号进行功率放大，以使主控电路（2）的功率开关器件导通、关断;
（4）在电机（7）转轴上加装速度检测器（8），由速度检测电路（9）将检测速度信号送入PLC（5），构成速度闭环控制;
（5）设置保护回路（6）检测主控电路（2）的电压、电流值等，当发生过载或过电压等异常时，停止工作或抑制电压、电流值，以防止电机及回路的损坏；
（6）当风速过高或过低时，控制器的闭环控制结构可以保证电机（7）的动态稳定性，PLC（5）根据风速大小来控制改变电压频率，GOT人机界面（1）实时监控U/I检测电路（4）返回的电压值和速度检测电路（9）返回的速度信号值，再结合线性变参数增益调度控制算法及鲁棒H∞控制理论，通过改变频率大小来实时改变电压值，以使输出电压值保持在误差允许的范围内。
2.根据权利要求1所述基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器，其特征在于所述主控电路（2）中，采用电容器吸收脉动电压，当电机处于再生制动状态时，再生能量通过与开关器件并联的二极管反馈至平滑电路电容器中，使直流电压升高。
3.根据权利要求1所述基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器，其特征在于该控制器是通过设计局部控制器，利用插值的方法得到全局控制器；其本质特征是用线性控制器的设计方法，设计参数相依或非线性时变系统的控制器。
4.根据权利要求1所述基于线性变参数增益调度的风力发电机组H∞控制器，其特征在于根据不同风况，分别在高风速和低风速区域设计不同的控制器。
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