CN103362738B - 变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法。本发明通过估算风轮气动力矩，根据估算气动力矩结果基于风力发电机组电磁力矩响应模型及传动系统模型设计气动力矩前馈解耦控制器，有效的消除了由于外部气动力矩的随机性和不确定性对最优阻力矩的动态跟踪影响，使轮毂与主轴低速轴连接处的阻力矩完全由电磁力矩闭环控制，高效的实现了最优阻力矩精确动态跟踪，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

Description

变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的最大功率追踪控制方法。

背景技术

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而变速变桨风力发电机组是主流的风力发电机型。

变速变桨风力发电机组通过风轮吸收风能，利用传动系统将吸收风能传递到发电机轴端，通过发电机将机械能转化为电能，而传动系统的摩擦阻尼损失是传动效率损失的主要来源。

对于大功率变速变桨风力发电机组，传动系统一般情况下可以按照理想刚性环节考虑进行简化建模，若要实现传动系统相对准确的动态分析及控制，通常可以按照柔性的多质量块环节进行建模。

大功率变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的一定风速段内做最大功率追踪控制，风力发电机组通过控制电磁力矩利用风轮的自寻优气动特性实现最大功率追踪。

对于传统的最大功率追踪控制，控制策略中对传动系统考虑的相对比较理想，没有考虑传动系统各环节及传动特性影响，同时由于风速的波动性和随意性导致风轮受风后产生的气动力矩波动具有很强的不确定性，因此在实际控制过程中相对于最优控制力矩轨迹有一定的偏差，不能高效的实现最优最大功率追踪控制。

变速变桨风力发电机组传动系统输入环节中，发电机电磁力矩为可控环节，风轮气动力矩由于风的随机性和不确定性为不可控环节，而发电机电磁力矩和风轮气动力矩都会对低速轴与轮毂连接处应力情况产生影响。

发明内容

本发明提出一种变速变桨风力发电机组在额定风速以下的最大功率追踪控制方法，该方法通过对风力发电机组阻力矩响应系统进行建模，基于前馈解耦方式消除风轮气动力矩对低速轴与轮毂连接处应力作用的影响，使低速轴与轮毂连接处阻力矩仅由发电机电磁力矩控制，有效的实现了低于额定风速以下轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩跟踪控制，确保风轮高效稳定的进行最大功率追踪。

本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法。

如图1所示，在理想认为风力发电机组传动系统是严格的刚性环节且不考虑阻尼的情况下，风力发电机组在低于额定风速以下一定的风速段内通过控制风力机的电磁力矩符合最优力矩变化曲线如图1中的BC段，实现最大功率追踪。

而对于实际的变速变桨风力发电机组，由于其传动系统是柔性环节且存在阻尼，同时风轮气动力矩存在较强的不确定性，按照传统的控制方法进行控制后，由于传动系统传动特性以及气动力矩波动影响，实际作用于轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩难以准确跟踪最优力矩致使风轮未能实现最大功率追踪。

针对变速变桨风力发电机组传动系统特性，在认为变速变桨风力发电机组传动系统为柔性环节且存在摩擦的情况下，如图2所示，变速变桨风力发电机组传动系统可以等效为低速轴和高速轴两质量块环节，按照以下方法建模：

式中

表示低速轴（风轮端）转速；

表示风轮气动力矩；

表示低速轴（风轮端）转动惯量；

表示轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩；

表示高速轴（发电机端）转速；

表示高速轴（发电机端）转动惯量；

表示发电机电磁力矩；

表示传动系统增速比；

表示传动系统传动效率；

表示传动系统等效到低速轴刚性系数；

表示传动系统等效到低速轴阻尼系数；

设状态变量为，输入变量为,输出为，则传动系统可以表示为一个三阶模型：

其中

表示低速轴等效到高速轴后的转动惯量，

则系统传递函数可以表示为：

系统传递函数框图如图3所示，可以表示为下式：

一般情况下，低速轴等效到高速轴后的转动惯量明显小于低速轴（风轮端）转动惯量，因此从稳态增益的角度而言，轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩主要由产生，由于系统中风轮气动力矩由风轮气动力矩产生，为不可控变量，可以看做为外部输入扰动。

针对变速变桨风力发电机组电磁力矩响应环节建模，通常电磁力矩的响应速度很快，可近似认为瞬时响应，当需要精确控制时，电磁力矩响应模型可近似用一阶惯性环节表示如下：

基于以上系统模型可以设计出基于前馈解耦控制的最优阻力矩控制系统如图4所示，在该控制系统中，控制目标为最优阻力矩，最优阻力矩可以按照下式计算：

式中

表示最优阻力矩系数；

表示空气密度；

表示风轮扫风半径；

表示风轮在叶片低于额定风速工作时时（桨距角最小）的最大风能利用系数；

表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比；

反馈量为通过动态转矩传感器检测的轮毂与主轴低速端连接处的转矩值；

控制目标偏差可以按照下式计算：

式中

表示传感器检测的轮毂与主轴低速端连接处的转矩测量值；

控制器的输入为控制目标偏差，控制器输出为；

控制器可以采用常用的PID控制器，也可以采用其它的控制器形式，当采用PID控制器时，控制器传递函数可以表示为：

控制率为：

式中

表示PID控制器比例环节系数；

表示PID控制器积分环节系数；

表示PID控制器微分环节系数。

控制器输出信号与前馈环节信号相加后的电磁力矩设定值可以表示为下式：

式中

表示前馈信号

前馈信号求取可以按照下式计算：

式中

为前馈控制器；

前馈控制器可以按照下式计算：

因此前馈控制器具有PD控制器形式，在该控制器中：

比例系数可以表示为：

微分系数可以表示为：

控制器控制率可以表示为：

电磁力矩响应环节的输入为电磁力矩设定值，输出为真实电磁力矩。

传动环节的输入变量为,其中风轮气动力矩为外部不可控输入，可以看作为扰动，发电机电磁力矩为可控变量，输出为轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩可以通过传感器测量，并将测量值单位负反馈回输入端。

附图说明

图1变速变桨风力发电机组最优力矩控制曲线示意图

图2传动系统两质量块建模示意图

图3传动系统传递函数框图

图4基于前馈解耦控制的最大功率追踪闭环控制框图

具体实施方式

根据变速变桨风力发电机组叶片及轮毂质量距离旋转中心分布计算传动系统低速轴总的转动惯量；根据变速变桨风力发电机组发电机转子质量距离旋转中心分布数据计算传动系统高速轴总的转动惯量，一般而言传动轴或齿轮箱相对转动惯量很小可以近似忽略。

获取变速变桨风力发电机组叶片翼型数据，根据动量-叶素定理、有限元计算方法或者依据相关商业计算软件计算风轮在低于额定风速以下的最优阻力矩参数。

传动系统建模相关数据可以根据传动系统的传动方式查询相关机组资料获取传动效率、等效于低速轴的刚性系数和等效于低速轴的摩擦系数数据，基于数据进行机理建模；也可以通过测量相关辨识数据用模型拟合参数辨识的方式直接获取传动系统辨识模型。

当电磁力矩响应环节时间常数与传动模型输出相应时间常数相差不大时，必须考虑电磁力矩动态响应特性，可以通过监测采集相关辨识数据用模型拟合参数辨识的方式直接获取力矩响应辨识模型。

轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩可以通过在轮毂与主轴低速轴连接处安装动态转矩传感器精确测量，通常为了确保机组运行可靠性可以安装两套动态转矩传感器通过冗余提高系统可靠性。

外部气动转矩无法直接测量，可以通过轮毂与主轴低速轴连接处安装转速传感器测量风轮转速，通过相关可测量值估算外部气动力矩，估算方法如下：

PID参数调节方法可以采用工业上常用的经验法、Z-N法或者通过离线相关智能搜索算法如遗传算法、蚁群算法等优化进行整定，也可以通过经典控制理论中的零极配置方法进行参数整定。

本发明针对变速变桨风力发电机组由于外部气动力矩波动干扰导致在低于额定风速以下机组按照一般的控制算法进行最大功率追踪时难以准确动态精确跟踪最优阻力矩控制曲线的情况，提出了一种基于估算外部气动力矩的前馈解耦控制的轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩控制跟踪方法，该方法可以有效的使轮毂与主轴低速轴连接处阻力矩跟踪最优阻力矩变化曲线，同时有效的消除了由于外部气动力矩的随机性和不确定性对最优阻力矩的动态跟踪影响，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

Claims (6)

1.变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是该方法考虑风力发电机组传动系统为柔性环节且存在摩擦的情况下，对风力发电机组传动系统进行建模，通过对风电机组气动力距的前馈解耦控制方式消除了风轮气动力矩的波动性和不确定性对阻力矩控制的影响，高效的实现额定风速以下轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩跟踪，有效的实现风轮风能吸收最大功率追踪；其中风力发电机组传动系统等效为低速轴和高速轴两质量块环节，按照以下方法建模：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ω}}_b}{dt}=\frac{T_b}{J_b}-\frac{T}{J_b}\\ \frac{{\mathrm{d\ω}}_g}{dt}=\frac{\mathrm{\η}T}{{\mathrm{NJ}}_g}-\frac{T_e}{J_g}\\ \frac{dT}{dt}=K({\mathrm{\ω}}_b-\frac{{\mathrm{\ω}}_g}{N})+B(\frac{{\mathrm{d\ω}}_b}{dt}-\frac{1}{N}\frac{{\mathrm{d\ω}}_g}{dt})\end{array}\right.$

式中

ω_b表示低速轴转速；

T_b表示风轮气动力矩；

J_b表示低速轴转动惯量；

T表示轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩；

ω_g表示高速轴转速；

J_g表示高速轴转动惯量；

T_e表示发电机电磁力矩；

N表示传动系统增速比；

η表示传动系统传动效率；

K表示传动系统等效到低速轴刚性系数；

B表示传动系统等效到低速轴阻尼系数；

设状态变量为 $x=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_b\\ {\mathrm{\ω}}_g\\ T\end{array}\right],$ 输入变量为 $u=\left[\begin{array}{c}{T}_b\\ T_e\end{array}\right],$ 输出为y＝T，则传动系统表示为一个三阶模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -\frac{1}{J_b}\\ 0& 0& \frac{N}{J_t}\\ K& -\frac{K}{N}& -\frac{B}{J_b}-\frac{B}{J_t}\end{array}\right]x+\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{J_b}& 0\\ 0& -\frac{1}{J_g}\\ \frac{B}{J_b}& \frac{B}{{\mathrm{NJ}}_g}\end{array}\right]u\\ y=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]x\end{array}\right.$

其中

$J_t=\frac{N^2{J}_g}{\mathrm{\η}}$

J_t表示低速轴等效到高速轴后的转动惯量；

则系统传递函数表示为：

$\left\{\begin{array}{c}y\left(s\right)=\[G_1\left(s\right),G_2\left(s\right)\]u\left(s\right)\\ G_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_t}{J_b{J}_t{s}^2+B(J_b+J_t)s+K(J_b+J_t)}\\ G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_b{J}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_b{J}_t}{{\mathrm{NJ}}_g{J}_b{J}_t{s}^2+{\mathrm{BNJ}}_g(J_b+J_t)s+{\mathrm{KNJ}}_g(J_b+J_t)}\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是电磁力矩响应模型可近似用一阶惯性环节表示如下：

$G_3\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\τ}s+1}$

τ表示电磁力矩响应时间常数。

3.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是最大功率追踪控制系统中控制目标为最优阻力矩T_opt，最优阻力矩按照下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{opt}=K_{opt}{\mathrm{\ω}}_b^2\\ K_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^5\frac{C_{Pmax}}{{{\mathrm{\λ}}_{C_{Pmax}}}^3}\end{array}\right.$

式中

K_opt表示最优阻力矩系数；

ρ表示空气密度；

R表示风轮扫风半径；

C_Pmax表示风轮在叶片低于额定风速工作时的最大风能利用系数；

表示在叶片低于额定风速工作时的最佳叶尖速比。

4.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是控制目标偏差e(t)按照下式计算：

e(t)＝T_opt(t)-T(t)

式中

T_opt表示最优阻力矩；

T(t)表示传感器检测的轮毂与主轴低速端连接处的转矩测量值。

5.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是控制器传递函数c(s)的输入为控制目标偏差e(t)，控制器输出为T_c(t)；控制器传递函数表示为：

$c\left(s\right)=K_P+K_I\frac{1}{s}+K_{D}s$

控制器输出为：

$T_c\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_I{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+K_D\frac{de\left(t\right)}{dt}$

式中

K_P表示PID控制器比例环节系数；

K_I表示PID控制器积分环节系数；

K_D表示PID控制器微分环节系数。

6.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是电磁力矩响应环节的输入为电磁力矩设定值输出为发电机电磁力矩T_e；传动环节的输入变量为 $\left[\begin{array}{c}{T}_b\\ T_e\end{array}\right],$ 其中风轮气动力矩T_b为外部不可控输入，可以看作为扰动，发电机电磁力矩T_e为可控变量，输出为轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩T可以通过传感器测量，并将测量值减去参考模型输出T_m后作为模型误差反馈回输入端。