CN105673322A - 实现风力机mppt控制的变参数非线性反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速。

Description

实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法

技术领域

本发明属于风力机控制领域，特别是实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法。

背景技术

风力发电技术近年来受到越来越多的关注，变速风力机与定速风力机相比，具有更高的发电效率和更低的结构载荷。风力机最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制旨在控制风轮转速跟踪由实时风速所决定的最佳转速，进而获得更多的风能。风力机MPPT控制具有多种实现方法，其中叶尖速比法通过直接控制风轮转速到理想转速，具有更好的转速跟踪效果，达到更多的风能捕获。

当前研究发现，基于叶尖速比法的非线性状态控制器具有良好的转速跟踪效果，但是其控制量的计算过程中使用了目标转速的一阶导数和二阶导数，实际中这些量是不可预知且不连续的，不仅难以准确测量或估计，而且会造成控制量的大小随目标转速的变化而大幅波动，因此对滤波较为依赖。另外较好的跟踪效果会使得发电机电磁转矩波动剧烈，产生较大的结构载荷和交变载荷，影响风力机的寿命。

基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力机最大功率点跟踪控制方法，能够在提高转速跟踪效率的同时尽可能降低结构载荷，但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，有效限制了发电机的电磁转矩波动，同时在调节控制参数的过程中避免了不可预知的目标转速的一阶导数和二阶导数。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数式中m＝u_max/a_max，a_max为控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，u_max为等效控制输入参数的最大值；

发电机的电磁转矩参考值式中T_r为风力机估计气动转矩，C_t为系统阻尼系数，ω_r为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，J_t为风机转动惯量，传动比n_g。

进一步的优选方案，本发明中风轮最优转速式中λ_opt是最佳叶尖速比、V_r为估计风速、R为风轮半径。

进一步的优选方案，本发明中通过发电机的电磁转矩T_g、发电机的转子转速ω_g，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机估计气动转矩T_r以及估计风速V_r。

进一步的优选方案，本发明中风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε＝ω_r-ω_opt，式中ω_opt为风轮最优转速、ω_r为风轮实际转速。

进一步的优选方案，本发明中根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值u_max，具体方法为：

步骤A、计算风机低速轴转矩式中T_r为风力机估计气动转矩，T_g为发电机电磁转矩，ω_r为风轮实际转速，J_t为风机转动惯量，J_r为风机风轮转动惯量，J_g为发电机转动惯量，n_g传动比，C_r为风轮系统阻尼系数，C_g为发电机系统阻尼系数；

步骤B、计算最优的风机低速轴气动转矩T_ls.opt＝T_r-C_rω_opt，式中T_r为风力机估计气动转矩，ω_opt为风轮最优转速，C_r为风轮系统阻尼系数；

步骤C、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差s＝T_ls-T_ls.opt，式中T_ls为风轮低速轴气动转矩，T_ls.opt为风轮低速轴最优气动转矩；

步骤D、由此可得等效控制输入参数的最大值为：

式中T_r为风力机估计气动转矩，ω_r为风轮实际转速，T_ls为风机低速轴气动转矩，C_r为风轮系统阻尼系数，J_r为风机风轮转动惯量，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，s为风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差，u₀为u_max的下界且为常数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明基于非线性状态反馈控制器，通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，较好地限制了发电机的电磁转矩波动，并以此降低了传动轴上的交变载荷。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的控制系统框图。

图2为本发明的仿真的湍流风速序列图。

图3为本发明的利用风速估计给出的估计风速图。

图4为不同MPPT方法在风速时段内的转速跟踪对比图，其中(a)为传统最优转矩法(OT)与本发明所提出的方法转速跟踪对比图；(b)非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本发明所提出的方法的转速跟踪对比图。

图5为不同MPPT方法在风速时段内的发电机电磁转矩对比图，其中(a)为传统最优转矩法(OT)与本发明所提出的方法发电机电磁转矩对比图；(b)非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本发明所提出的方法的发电机电磁转矩对比图。

图6为本发明的方法获得的风力机传动轴低速端载荷图。

图7为本发明的方法与传统最优转矩法(OT)、非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)和非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)获得的风力机传动轴低速端交变载荷幅值频次对比图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出即为风力机的输入，考虑实际风速v也作为风力机的另一输入来控制风轮实际转速，具体包括以下步骤：

步骤1、获取风力机参数、环境参数和运行参数；风力机参数包括风轮半径R、最佳叶尖速比λ_opt、最大风能利用系数C_pmax、风机转动惯量J_t、系统阻尼系数C_t、传动比n_g，环境参数为空气密度ρ，运行参数包括发电机的电磁转矩T_g、发电机的转子转速ω_g、风轮实际转速ω_r；

步骤2、通过发电机的电磁转矩T_g、发电机的转子转速ω_g，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机的估计气动转矩T_r以及估计风速V_r；

步骤3、计算出风轮最优转速式中λ_opt是最佳叶尖速比、V_r为估计风速、R为风轮半径；

步骤4、计算实际风轮转速与风轮最优转速的误差ε＝ω_r-ω_opt，式中ω_opt为风轮最优转速、ω_r为风轮实际转速；

步骤5、根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值u_max，具体方法包括以下步骤：

步骤5-1、计算风机低速轴转矩式中T_r为风力机估计气动转矩，T_g为发电机电磁转矩，ω_r为风轮实际转速，J_t为风机转动惯量，J_r为风机风轮转动惯量，J_g为发电机转动惯量，n_g传动比，C_r为风轮系统阻尼系数，C_g为发电机系统阻尼系数；

步骤5-2、计算最优的风机低速轴气动转矩T_ls.opt＝T_r-C_rω_opt，式中T_r为风力机估计气动转矩，ω_opt为风轮最优转速，C_r为风轮系统阻尼系数；

步骤5-3、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差s＝T_ls-T_ls.opt，式中T_ls为风轮低速轴气动转矩，T_ls.opt为风轮低速轴最优气动转矩；

步骤5-4、由此可得等效控制输入参数的最大值为：

式中T_r为估计气动转矩，ω_r为风轮实际转速，T_ls为风机低速轴气动转矩，C_r为风轮系统阻尼系数，J_r为风机风轮转动惯量，ε为实际风轮转速与风轮最优转速的误差，s为风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差，u₀为u_max的下界且为常数；

步骤6、计算控制器参数式中m＝u_max/a_max，a_max为控制参数的最大值，ε为实际风轮转速与风轮最优转速的误差，u_max为等效控制输入参数的最大值；

步骤7、计算得到发电机的电磁转矩参考值式中T_r为风力机估计气动转矩，C_t为系统阻尼系数，ω_r为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，J_t为风机转动惯量。

实施例

基于MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型进行控制器的仿真验证，其中风力机气动结构部分采用美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)开发的FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,andTurbulence)软件建立，该软件目前被很多学者用于风力机控制仿真验证。风力机模型采用NERL开发的600kWCART3试验机型，具体参数如表1所示。

表1CART3风力机主要参数

叶片个数	3
		额定功率	600kW
齿轮箱变速比	43.165
		轮毂高度	36.6m
风轮半径	20m
		最佳叶尖速比	5.8
最大风能利用系数	0.467

仿真中的参数取值为a_max＝0.5、u₀＝0.01。

首先，使用TurbSim(美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)提供的开源的湍流风模拟软件)，并基于Kaimal功率谱生成600s湍流风速序列，平均风速为6m/s，并且符合IEC-61400-1标准A类湍流级别，所构建的湍流风速序列如图2所示。

使用FAST在所构造的湍流风下对风力机进行仿真，获取风力机运行参数，所述风力机运行参数具体包括发电机转子转速ω_g和发电机电磁转矩T_g，将运行参数输入到如图1所示的MATLAB/SIMULINK搭建的控制器进行风机转矩控制。

针对所构造的湍流风速，分别应用传统最优转矩法(OT)、非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本发明所提出的方法进行对比。根据所选的风速序列，从转速跟踪效果、发电机电磁转矩和低速轴转矩三个方面对比上述四种控制器的控制效果。

使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，可以更好的估计出风力机运行过程的估计风速，如图3所示。

不同控制方法的转速的跟踪效果如4图所示，从(a)图中可以看出，本文提出的控制策略相较于最优转矩法具有更高的转速跟踪响应速度。特别是在风速变化较大(例如阵风)的情况下，本文提出的方法能够使风轮转速更好地完成转速跟踪。(b)图对比本文提出的方法和两种非线性状态反馈控制器所获得的转速跟踪效果。从该图可以看出，三种方法都具有较好的转速跟踪效果。与本文提出的方法相比，两种非线性反馈控制器具有更好的动态性能，但在一些情况下会出现超调的现象。

图5展示的是几种控制算法获得的发电机电磁转矩。为使转矩信号比较平滑，在仿真过程中已经对参考转矩信号进行了滤波。从(a)图中可以看出，本文提出的控制策略所得到的发电机电磁转矩波动不是很剧烈，但与最优转矩法获得的发电机电磁转矩相比还是存在一定的差距。这主要是由于基于误差反馈的控制策略在保证良好转速跟踪效果的同时，必然会使转矩波动有所增加。(b)图中展示的是本文提出的方法和两种非线性状态反馈控制器所获得的发电机电磁转矩。从该图可以看出，本文提出的方法获得的发电机电磁转矩更为平滑，而两种非线性状态反馈控制器的发电机电磁转矩波动更为剧烈。

图6展示了采用本文提出的方法对风力机进行控制所获得的传动轴低速轴转矩。与发电机电磁转矩相比，低速轴转矩叠加了大量的高频分量，这主要是由于风轮所获得的气动转矩随风速大小不断变化，进而造成低速轴转矩的波动。

以2KN·m为单位对不同大小的应变幅值进行统计，得到四种方法落在不同区间内的载荷频次，如图7所示。从结果中可以看出，采用最优转矩法得到的交变载荷幅值要明显小于其他几种方法。而另外三种方法对比可以发现，虽然三种方法都可以有效提高风力机的转速跟踪效果，但本文提出的控制策略相较其他两种方法交变载荷的幅值更小。

前面对四种控制策略的控制效果进行了定性对比。采用风能捕获效率和载荷幅值大小的平均值作为评价指标进行定量对比，如见表2所示。风能捕获效率定义如下：

${\mathrm{\η}}_P\left(\%\right)=\frac{{\∫}_0^T{P}_e\left(t\right)dt}{{\∫}_0^T{P}_{opt}\left(t\right)dt}$

其中

$P_{opt}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^{2}v{\left(t\right)}^3{C}_{P.max}$

P_e(t)为实际发电功率，P_opt(t)为最佳发电功率，v(t)为实际风速。

从表2可以很清晰的看出，本文提出的方法以及两种非线性状态反馈控制器都可以有效提高风力机的风能捕获效率，并且本发明提出的方法较其他两种具有更小的交变载荷幅值。

表2控制效果及载荷对比

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，其特征在于，以风轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数式中m＝u_max/a_max，a_max为控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，u_max为等效控制输入参数的最大值；

发电机的电磁转矩参考值式中T_r为风力机估计气动转矩，C_t为系统阻尼系数，ω_r为风轮实际转速，a(ε)为控制器参数，J_t为风机转动惯量，传动比n_g。

2.根据权利要求1所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在于，风轮最优转速式中λ_opt是最佳叶尖速比、V_r为估计风速、R为风轮半径。

3.根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在于，通过发电机的电磁转矩T_g、发电机的转子转速ω_g，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机估计气动转矩T_r以及估计风速V_r。

4.根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在于，风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε＝ω_r-ω_opt，式中ω_opt为风轮最优转速、ω_r为风轮实际转速。

5.根据权利要求1所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在于，根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值u_max，具体方法为：

步骤A、计算风轮低速轴气动转矩 $T_{ls}=\frac{n_g^2{J}_g}{J_t}{T}_r+\frac{n_g{J}_r}{J_t}{T}_g+\frac{n_g^2}{J_t}(J_r{C}_g-J_g{C}_r){\mathrm{\ω}}_r,$ 式中T_r为风力机估计气动转矩，T_g为发电机电磁转矩，ω_r为风轮实际转速，J_t为风机转动惯量，J_r为风机风轮转动惯量，J_g为发电机转动惯量，n_g传动比，C_r为风轮系统阻尼系数，C_g为发电机系统阻尼系数；

步骤B、计算风机低速轴最优气动转矩T_ls.opt＝T_r-C_rω_opt，式中T_r为风力机估计气动转矩，ω_opt为风轮最优转速，C_r为风轮系统阻尼系数；

步骤C、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差s＝T_ls-T_ls.opt，式中T_ls为风轮低速轴气动转矩，T_ls.opt为风轮低速轴最优气动转矩；

步骤D、由此可得等效控制输入参数的最大值为：

式中T_r为风力机估计气动转矩，ω_r为风轮实际转速，T_ls为风机低速轴气动转矩，C_r为风轮系统阻尼系数，J_r为风机风轮转动惯量，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，s为风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差，u₀为u_max的下界且为常数。