CN108167120B - 一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法。考虑未建模动态和干扰，建立风力发电机组的简化动态模型。计算功率调节误差动态特性。选择滑模面和切换函数，设计滑模增益的自适应更新机制，得到滑模变结构电磁转矩控制信号。定义风轮转速期望误差动态特性。将风电机组简化动态模型进行改写，得到桨距角初步表达式。将低通滤波器对非仿射不确定项和干扰项的逼近结果代入桨距角初步表达式中，得到桨距角最终表达式。该联合控制方法能够较好应对风电机组的非仿射不确定特性，结构简单，鲁棒性好，能够提供更加平稳的风轮转速和发电功率，减小风电机组的机械载荷，延长其使用寿命，并为电网提供高质量的电能。

Description

一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制技术领域，特别涉及变速风力发电机组高风速段的变桨变矩控制。

背景技术

随着世界能源的日趋匮乏和科学技术的飞速发展，加上人们对环境保护的要求，使得可再生绿色能源的发展变得十分迫切。风力发电的突出优点是环境效益好，不存在资源枯竭的问题，近年来在全球范围内都得到了快速发展。为了保持风力发电的快速发展，风电机组的并网性能应该得到持续改善。

目前，大多数风电场采用的是变速风力发电机。与恒转速风力发电机相比，变速风力发电机具有稳定性好，工作效率高，可以实现最大风能捕获等优势。一般来讲，当变速风力发电机工作在高风速段(风速大于额定风速)时，为了减小风电机组各组成部分的机械载荷和提高并网质量，风电机组控制系统的控制任务是减少风轮转速和发电功率的波动，使其维持在额定值附近。

工作在高风速段的变速风力发电机是一个非仿射不确定非线性系统。系统的非仿射特性使得控制信号以非线性隐含的方式影响系统的动态特性，使得传统的反馈线性化技术无法使用；系统的不确定性包括内部参数的不确定性和系统建模的不准确性，比如系统的惯量、阻尼系数等会随着运行时间的增加而改变，风电系统组成十分复杂，未建模动态将影响控制器的控制性能；系统的非线性特性使得已有的线性控制技术无法有效补偿系统的非线性变化，导致控制性能大幅下降。另外，风电机组工作在十分复杂的环境当中，风速的波动性和各类外部干扰对控制器的控制性能提出了很高的要求。因此，风电机组高风速段恒功率控制是一个极具挑战性的研究课题。

目前，工业上普遍采用的风电机组恒功率控制策略是通过变增益比例-积分(PI)控制器控制桨距角，并维持发电机转矩为常数。PI控制器无法完全消除系统的非线性特性，导致控制效果不理想，存在风轮转速、功率波动大、无法应对参数变化和外部干扰的缺点。为了克服上述缺点，有关学者使用智能控制技术，提出了神经网络控制器、模糊逻辑控制器等高风速段控制方案，但是此类控制技术设计过程复杂，控制效果过度依赖于控制参数的初始化和先验知识。可见，现有风电机组高风速段控制方案对风轮转速和发电功率调节效果较差，且不能很好地应对系统的不确定性及外部环境干扰。

近年来，基于不确定和干扰估计因子(Uncertainty and DisturbanceEstimator，UDE)的鲁棒控制算法成为研究热点，该理论基于任何一个工程信号都可以用合适带宽的滤波器进行逼近。另外，由于滑模变结构控制的设计与对象参数及扰动无关，其具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单等优点，日益得到研究者的青睐。本发明将UDE鲁棒控制理论和滑模变结构控制引入到变速风电机组的高风速段控制当中，有效应对系统非仿射、不确定特性和环境干扰等问题。

发明内容

为了解决现有桨距角控制器未考虑系统未建模动态和环境干扰、输出功率波动大的问题，本发明提供一种高风速段输出功率平稳、鲁棒性好的变桨变矩联合控制方法，即通过电磁转矩调节功率，桨距角调节风轮转速，能够较好地应对风力发电机组的非仿射不确定特性与外部干扰，与目前工业上普遍采用的PI控制器相比，本发明能够为风电并网提供更加平稳的功率输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)对风力发电机组的传动轴系结构进行分析，考虑系统未建模动态和干扰，建立风力发电机简化动态模型。

(2)利用步骤1中的风电机组动态特性和发电功率表达式，确定功率调节误差的动态特性；所述发电功率表达式定义为等效发电机转矩与风轮转速的乘积，功率调节误差定义为风电机组额定发电功率与实际发电功率之差。

(3)根据步骤2中的功率调节误差动态特性，设计等效电磁转矩控制信号(滑模变结构转矩控制信号)的动态部分为滑模增益与切换函数的乘积，切换函数的作用对象是滑模面；所述滑模增益选择为动态结构加上常数部分，所述动态结构，确定方式为其导数是功率调节误差的绝对值，所述常数是需要确定的控制器参数，主要作用是加快功率调节误差的收敛速度；所述切换函数是符号函数；所述滑模面通过功率调节误差构造。

(4)确定等效电磁转矩控制信号的形式为步骤3所述动态部分减去转速调节误差部分；所述转速调节误差定义为额定风轮转速与实际风轮转速之差。通过最终确定的等效电磁转矩控制信号，可以使得风电机组的输出功率以较小的波动维持在额定功率附近。

(5)确定步骤4所述的转速调节误差的期望动态特性，使得转速调节误差以指数收敛的形式收敛到零；

(6)将步骤1的风力发电机动态模型分解为已知项、非仿射不确定及未知干扰项、桨距角控制项，所述已知项中包括步骤4所述的等效电磁转矩控制信号；

(7)将分解后的风力发电机简化动态模型与期望的转速调节误差动态特性相结合，得到桨距角初步表达式；

(8)使用低通滤波器对非仿射不确定及未知干扰项进行逼近，得到非仿射不确定及未知干扰项在时域中的估计值；

(9)将步骤8得到的估计值带入步骤7所述桨距角初步表达式，经过拉普拉斯变换和反变化，得到桨距角最终表达式，从而实现通过控制桨距角使得风电机组的风轮转速维持在额定转速附近。

进一步地，所述步骤2中的功率调节误差的动态特性的形式如下

其中，功率调节误差e_p＝P_ref-P_g，P_ref为额定功率，P_g＝T_gω_r为实际输出功率，T_g为等效发电机转矩，ω_r为风轮实际转速。

进一步地，所述步骤3中等效电磁转矩控制信号的动态部分的表达式如下

其中，为滑模增益的动态部分，λ为滑模增益的常数部分，sgn(e_p)为切换函数，本发明取为符号函数，选取e_p＝0作为滑模面。

进一步地，所述步骤4中等效电磁转矩控制信号的最终形式为

T_g＝T_x-K_pe_ω，K_p>0

其中，风轮转速调节误差e_ω＝ω_d-ω_r，ω_d为风轮额定转速。

进一步地，所述步骤5中，期望的误差动态特性采用如下形式：

其中，K_ω为期望的风轮转速调节误差控制增益，K_ω<0。

进一步地，所述步骤6中，分解后的风力发电机动态模型如下：

其中，g(ω_r)为已知项，f(ω_r,v,β,t)为非仿射不确定及未知干扰项，f(ω_r,v,β,t)的非仿射部分指的是气动转矩，不确定和干扰部分指的是风力发电机的未建模动态和环境干扰，β为桨距角控制项，ω_r为风轮实际转速，v表示有效风速，J_t表示系统转动惯量，T_g表示发电机转矩，T_a表示气动转矩，K_t是阻尼系数，t表示时间，Δ(t)表示未建模动态和环境干扰。

进一步地，所述步骤7中，所述桨距角初步表达式为：

β＝-g(ω_r)+f(ω_r,v,β,t)+K_ωe_ω。

进一步地，所述步骤8中，所述低通滤波器的带宽能够覆盖所要逼近的非仿射不确定及未知干扰项的所有频率。

进一步地，所述桨距角最终表达式为：

其中G_f(s)为所选择的低通滤波器，L^-1(·)表示拉普拉斯反变换。

本发明的有益效果是：在对风力发电机组进行建模时，考虑系统未建模部分及环境干扰，使得所设计的控制器能够在系统模型发生变化和干扰存在时保持较好的控制性能；使用滑模变结构控制器获得电磁转矩控制信号，使得风电机组的输出功率以较小的波动维持在额定值附近；通过桨距角控制风轮转速，引入带宽合适的低通滤波器后，对风力发电机模型的非仿射不确定干扰项进行逼近，克服了非仿射系统控制器设计难的问题。该变桨变矩控制器设计过程简便，所得控制器结构简单，鲁棒性好，抗干扰能力强，与传统PI控制器相比，本方法能够提供更加平稳的发电功率，为电网提供高质量的电能，同时减小风轮转速的波动，进而减小风电机组的机械载荷。

附图说明

图1为风力发电机组简化传动轴系结构示意图；

图2为风电机组高风速段变桨变矩联合恒功率控制控制方框图；

图3为湍流风有效风速曲线图；

图4为本发明方法与传统PI控制器风轮转速对比图；

图5为本发明方法与传统PI控制器输出功率对比图；

图6为本发明方法与传统PI控制器桨距角对比图；

图7为本发明方法与传统PI控制器发电机转矩对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，包括下述步骤：

步骤1，对风力发电机组传动轴系结构进行分析，得到简化模型，如图1所示，对其动态特性进行数学建模，得到如下方程组：

其中J_t为等效发电机组惯量(㎏·㎡)，ω_r为风轮角速度(rad/s)，T_a是气动转矩(N·m)，K_t是等效阻尼，T_g是等效发电机转矩。考虑系统的未建模动态和干扰，得到风电机组的动态特性表达式

其中，Δ(t)为系统未建模动态和干扰。

进一步，v为风速，为叶尖速比，R为风轮半径，ρ为空气密度，β为桨距角。C_p(λ,β)是风能利用系数，表示风力发电机组将风能转化为机械能的能力。风电机组的发电功率P_g的表达式为

P_g＝T_gω_r。

步骤2，为了求得功率调节误差的动态特性，定义调节误差e_p＝P_ref-P_g，带入发电功率P_g的表达式，得到功率调节误差的动态特性表达式如下

易知若功率调节误差的动态特性稳定的，则发电功率能够较好地维持在额定发电功率。本发明希望P_ref维持恒定常数，即

步骤3，根据步骤2中的功率调节误差动态特性，设计转矩控制器如下：

其中λ>0，K_p>0是需要确定的控制器参数，风轮转速调节误差e_ω＝ω_d-ω_r。B(t)的自适应更新机制为

利用李雅普诺夫稳定性理论，上述等效发电机控制信号能够使发电功率在有限时间内渐进稳定到额定功率附近。另外，T_g将作为已知项进入到桨距角控制器中。实际中，为了减少符号函数带来的抖振现象，sgn(·)采用如下的估计式

其中a₀是相对于|e_p|较小的常数。

步骤4，本发明的期望风轮转速调节误差动态特性采用如下形式：

其中K_ω<0。

可见误差系统是稳定的，且风轮转速指数收敛到额定转速ω_d。

步骤5，对步骤1中的风力发电机组的动态特性进行变形：

变形的目的是，将桨距角单独拿出，有利于桨距角控制器的设计。将上式与步骤4中的期望风轮转速调节误差动态特性相互结合，可以得到

g(ω_r)-f(ω_r,β,v,t)+β＝K_ωe_ω

其中，为已知项，这里的T_g即是步骤3中设计的转矩控制信号，是系统的非仿射不确定及未知干扰项。由上式可以得到桨距角的初步表达式为：

β＝-g(ω_r)+f(ω_r,v,β,t)+K_ωe_ω

步骤6，根据不确定和干扰估计因子(UDE)鲁棒控制原理，即任何一个工程信号都可以用具有合适带宽的滤波器进行复现，选择一个合适带宽的严格正则稳定的低通滤波器G_f(s)对步骤3中的信号f(ω_r,v,β,t)进行逼近。记低通滤波器G_f(s)的冲击响应为g_f(t)，并运用步骤5中变形后的风力发电机动态特性，则有下式成立：

其中，“*”表示卷积。所述合适带宽指的是滤波器G_f(s)的带宽可以覆盖要逼近信号f(ω_r,v,β,t)的所有频率。所以，在带宽范围内，G_f(s)的增益约等于1，而相位移动则为0，g_f(t)为冲击函数，则在带宽范围内有下式成立：

上式表明在低通滤波器带宽范围内，信号可以无限逼近f(ω_r,v,β,t)。

步骤7，用步骤6中的即用代替步骤5中桨距角初步表达式中的f(ω_r,v,β,t)，则可以得到：

将上式进行拉普拉斯变换可得：

β(s)＝-g(ω_r(s))+(sω_r(s)+g(ω_r(s))+β(s))G_f(s)+K_ωe_ω(s)

整理上式可得：

将上式进行拉普拉斯反变换可得：

上式即为最终得到的桨距角控制器表达式。其第一项g(ω_r(t))中的等效转动惯量J_t和等效阻尼K_t精确数值很难获得。因此，需要对这两个数值进行估计。本发明中假设估计误差是10％，即：在上述控制信号的作用下，系统的风轮转速调节误差满足步骤4中的期望动态误差特性，即风力发电机组的风轮转速会维持在额定转速附近。

实施例

在本实施案例中，为了说明本方法的实际工程价值，能够提供更加平稳的风轮转速和发电功率，将本方法与工业上流行的变增益PI控制器在风力发电机专业仿真软件GHBladed上进行仿真比较，GH Bladed是工业上非常受欢迎的风电仿真软件。实验中桨距角的变化率限制在±10^o/s，仿真时间为600s，所用风力发电机的模型参数如下表：

附图1是风力发电机组简化传动轴系结构示意图，在具体实施例中，根据风力发电机的有关参数计算得到等效转动惯量J_t＝5799797.5kg·m²，等效阻尼K_t＝4413.12N·m·rad^-1·s^-1。因此在桨距角控制器中，等效转动惯量和阻尼的估计值分别取为：通过调试，变桨变矩联合控制器的参数分别为：τ＝4.0，K_ω＝-0.7，λ＝200，K_p＝100，a₀＝2000。

附图2是风电机组高风速段变桨变矩联合恒功率控制控制方框图。考虑风电机组传动轴系模型中的未建模动态和干扰项Δ(t)；以风电机组的发电功率调节误差和转速调节误差作为滑模变结构转矩控制器的输入，确定该转矩控制器的滑模增益、切换函数和滑模面，其输出一方面作为桨距角控制器的已知输入，另一方面作为风电机组的电磁转矩控制信号；在桨距角控制环，选取带宽合适的稳定正则低通滤波器G_f(s)对非仿射未知干扰项f(ω_r,β,v,t)进行逼近，所述合适带宽指的是G_f(s)的带宽覆盖信号f(ω_r,β,v,t)的频率；低通滤波器输出的系统未知项及干扰估计值、风轮转速调节误差、滑模变结构控制器输出的发电机转矩信号同时作为桨距角控制器的输入，最后通过桨距角执行器输出桨距角控制信号。在此联合变桨变矩控制器的作用下，发电功率和风轮转速都将以较小幅度维持在额定值附近，有效减小风电机组的机械载荷，为并网提供高质量的电能。

附图3是湍流风有效风速曲线图，该湍流风纵向湍流强度、横向湍流强度和垂直湍流强度分别为：10％，8％和5％。

附图4是本发明方法与传统PI控制器风轮转速对比图。从图中可以看出，本发明方法的风轮转速调节效果要优于PI方法。

附图5是本发明方法与传统PI控制器输出功率对比图。从图中可以看出，本发明方法的输出功率基本保持在1.5MW，而PI方法产生的输出功率具有较大波动。

附图6是本发明方法与传统PI控制器桨距角对比图。从图中可以看出，本发明方法的桨距角信号变化趋势与PI控制器相同，说明本发明方法不会对桨距角执行器的寿命造成影响。

附图7是本发明方法与传统PI控制器发电机转矩对比图。从图中可以看出，为维持输出功率在额定值附近，本发明方法一直在调节发电机转矩，而PI控制方案则维持发电机转矩为定值。

Claims (8)

1.一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对风力发电机组的传动轴系结构进行分析，考虑系统未建模动态和干扰，建立风力发电机简化动态模型；

(2)计算功率调节误差的动态特性；所述功率调节误差定义为风电机组额定发电功率与实际发电功率之差；

(3)根据步骤2中的功率调节误差动态特性，选取滑模面和切换函数，确定滑模增益，引入风轮转速调节误差，得到最终的滑模变结构转矩控制信号，使得风电机组的输出功率维持在额定功率附近；所述风轮转速调节误差定义为风轮额定转速与风轮实际转速之差；

(4)确定期望的风轮转速调节误差动态特性，使得调节误差以指数收敛的形式收敛到零；

(5)将步骤1的风力发电机简化动态模型分解为已知项、非仿射不确定及未知干扰项、桨距角控制项，所述已知项中包括步骤3得到的滑模变结构转矩控制信号；

(6)将分解后的风力发电机简化动态模型与期望的风轮转速调节误差动态特性相结合，得到桨距角初步表达式；

(7)使用低通滤波器对非仿射不确定及未知干扰项进行逼近，得到非仿射不确定及未知干扰项在时域中的估计值；

(8)将步骤7得到的估计值代入步骤6得到的桨距角初步表达式，经过拉普拉斯变换和反变化，得到桨距角最终表达式，从而实现通过控制桨距角使得风电机组的风轮转速维持在额定转速附近。

2.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤2中，功率调节误差的动态特性具有如下形式：

其中，功率调节误差e_p＝P_ref-P_g，P_ref为额定功率，P_g＝T_gω_r为实际输出功率，T_g为等效发电机转矩，ω_r为风轮实际转速,“·”表示求取该符号下变量的导数。

3.根据权利要求2所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤3中，最终的滑模变结构转矩信号具有如下形式：

其中，为滑模增益的动态部分，的自适应更新机制为λ为滑模增益的常数部分，λ＞0；sgn(e_p)为切换函数，选取e_p＝0作为滑模面；风轮转速调节误差e_ω＝ω_d-ω_r，ω_d为风轮额定转速，K_p为风轮转速调节误差控制增益，K_p＞0。

4.根据权利要求3所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤4中，期望的风轮转速调节误差动态特性采用如下形式：

其中，K_ω为期望的风轮转速调节误差控制增益，K_ω＜0。

5.根据权利要求4所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤5中，分解后的风力发电机简化动态模型如下：

其中，g(ω_r)为已知项，f(ω_r,v,β,t)为非仿射不确定及未知干扰项，β为桨距角控制项，ω_r为风轮实际转速，J_t表示系统转动惯量，T_g表示发电机转矩，T_a表示气动转矩，K_t是阻尼系数，t表示时间，v表示风速，Δ(t)表示未建模动态和环境干扰。

6.根据权利要求5所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤6中，所述桨距角初步表达式为：

β＝-g(ω_r)+f(ω_r,v,β,t)+K_ωe_ω。

7.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤7中，所述低通滤波器的带宽能够覆盖所要逼近的工程信号的所有频率。

8.根据权利要求5所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤8中，桨距角最终表达式为：

其中G_f(s)为所选择的低通滤波器，L^-1(·)表示拉普拉斯反变换。