CN109356792A - 一种海上永磁垂直轴风力发电系统及其逆变控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上永磁垂直轴风力发电系统及其逆变控制方法，其系统包括共用一个电力传输线路的多个永磁垂直轴风力发电机、整流器、逆变器、浮式基础平台。其逆变器采用滑模控制器设计，对永磁垂直轴风力发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面；其浮式基础平台由多个相互固定联接的浮子件构成，各浮筒间用钢管进行固定联接，浮筒下面采用悬链线系泊系统。本发明实现了最大功率跟踪，兼顾了最大功率系数，根据负载大小控制发电机转速，并能快速地跟踪负载变换，通过判断发电机转速的稳定性来修改转速设定值。

Description

一种海上永磁垂直轴风力发电系统及其逆变控制方法

技术领域

本发明属于海上风电技术领域，尤其涉及一种海上永磁垂直轴风力发电系统及其逆变控制方法。

背景技术

随着人们对石油，煤炭，天然气等能源的大量使用，使得这些不可再生能源的储备量越来越少，而且这些能源的燃烧会带来对环境的污染，因此对像风能这样的清洁可再生能源的开发利用成了人们的热点研究内容。风力发电机主要分为水平轴和垂直轴两种。由于水平轴风力发电机自身固有的特点，使得其制造成本和运营维护成本都较高，且水平轴风力发电机需要发电机正对着风向才能使风能利用率最大化，若风向偏离40°，风能利用率将下降50％。而垂直轴风力发电机可以接受360°方向的来风，可以更好地提高风能的利用率。而且，垂直轴风力发电系统的发电机和齿轮箱均安装在底部，其重心低，稳定性好，安装维护方便。永磁垂直轴风力发电机由永磁铁励磁，无需外加励磁装置，可减少励磁损耗，系统无需从电网吸收无功功率来改善电网的功率因素，因此其应用较为广泛。但是，由于永磁垂直轴风力发电系统漂浮运行于环境复杂的海上，其风机及其整体结构物不但易受到风浪等环境因素的影响，而且还会互相之间产生干扰，极易导致系统能量转换的不均衡。

另外，由于风能具有能量密度低、随动性以及不稳定性等特点，而且风力发电机系统是复杂多变量的非线性系统，存在不确定性和多干扰性，无法对其建立精准的数学模型，传统的PI控制器(proportional integral controller，比例积分控制器)也难以准确有效地对系统进行控制，而使海上风能利用率和系统发电效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种海上永磁垂直轴风力发电系统及其逆变控制方法，运用滑模变结构控制策略作为发电系统的控制方法，采用较为稳定的发电系统基础平台来限定其在风浪作用下的移动范围，不会使垂直轴发电机效率受到较大的影响。更好地提高风能的利用率和系统的发电效率。

为了达到本发明的上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，包括共用一个电力传输线路的多个永磁垂直轴风力发电机、整流器、逆变器、浮式基础平台。

所述的逆变器采用滑模控制器设计，对永磁垂直轴风力发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面。

所述的浮式基础平台包括多个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。

优选地，所述的浮式基础平台包括六个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。

优选地，所述的浮式基础平台的浮子件采用浮筒结构，各浮筒间用钢管进行固定联接；浮筒下面采用悬链线系泊系统。

进一步地，所述的永磁垂直轴风力发电机系统的发电机为直驱式永磁垂直轴发电机，包括数个用连接杆件与永磁垂直轴发电机轴相连的叶片。

本发明的一种海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法，其特征在于，采用滑模变结构控制器设计逆变器，对永磁垂直轴发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面，来实现最大功率跟踪、兼顾最大功率系数，且根据负载大小控制发电机转速，快速跟踪负载变换，从而通过判断发电机转速的稳定性来修改转速设定值；所述的滑模变结构控制器设计，包括分别对转速、交轴电流、直轴电流的滑模控制器设计。

1.所述的对转速的滑模控制器设计，其步骤包括：

(1.1)设定转速滑模控制器的控制目标为：实现最大功率点跟踪MPPT要求，转速控制器跟踪给定速度ω_r ^*，滑模变结构控制器输入为误差状态，即e_ω＝ω_r ^*-ω_r，转速滑膜控制的控制量u＝i_q，则转速误差系统的方程为：

其中，ω_r为转子转速；J为转动惯量；T_e为电磁转矩；T₁为负载转矩；B为摩擦系数；n_p为电机极对数；L_d，L_q分别为d,q轴电感；ψ_f为转子永磁体磁链；i_d,i_q分别为d，q轴电流分量。

式(1)中为转速的一阶状态方程，选取下式为线性滑模：

s_ω＝e_ω (2)

采用函数切换控制规律，设计出如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值ω_r ^*：

式(3)中，k₁＞0；sgn(s_m)为符号函数；i_qeq为在永磁同步发电机在理想模型下解得的滑模等效控制项，即系统在和系统不存在不确定性时所需要的控制量；i_qn为滑模切换控制部分；

(1.2)选取李雅普诺夫函数为则V_ω(t)对时间求导得：

令系统设计参数k₁＞0，对于任意的s_ω≠0时，总有

2.所述的对交轴电流的滑模控制器设计，其步骤包括：

(2.1)设定交轴电流滑模控制器的控制目标为：交轴电流滑模控制器可跟踪交轴电流给定值i_q ^*，交轴电流滑模变结构控制器输入为交轴电流误差状态，即e_q＝i_q ^*-i_q，控制量u＝u_q，可得交轴电流的误差系统的方程为；

式(5)为交轴电流的一阶状态方程，同样选择如下(6)式为线性滑模：

s_q＝e_q (6)

(2.2)采用函数切换控制规律，设计如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值i_q ^*：

式(7)中，k₂为系统设计参数；sgn(s_q)为符号函数。

3.所述的对直轴电流的滑模控制器设计，其步骤包括：

(3.1)设定直轴电流滑模控制器的控制目标为：直轴电流控制器跟踪直轴电流给定值i^* _d＝0，令e_d＝i_d ^*-i_d＝-i_d为直轴电流误差状态；选取如下线性滑模：

s_d＝e_d (8)

(3.2)采用函数切换控制规律，设计如下控制规律，则发电机直轴电流将趋于给定值i_d ^*：

式(9)中，k₃为系统设计参数：sgn(s_d)为符号函数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.将永磁垂直轴风力发电机安装于漂浮式基础平台，采用集群式漂浮基础平台，使得大型风电机组布局灵活，水深已不再是首要问题；减少了视觉影响；简化了海上安装步骤；降低成本等多方面优点。

2.设计了线性滑模控制器，和传统的PI控制相比，发电机的转速、直交轴电流以更快的速度趋近于给定值，系统超调较小。在风速变化时，转速滑模控制器能够使永磁同步发力发电系统快速跟踪最佳转速，实现风能的最大利用。

3.本发明运用滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，其本质上是一种高频切换控制，具有响应速度快、对系统参数变化和外界扰动不敏感、设计简单易于实现等特点。

附图说明

图1为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统的一个实施例的单个永磁垂直轴风力发电机结构示意图。

图2为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统的一个实施例的浮式基础平台结构示意图。

图3为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法的一个实施例的逆变控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，包括共用一个电力传输线路的多个永磁垂直轴风力发电机、整流器、逆变器、浮式基础平台。其逆变器采用滑模控制器设计，对永磁垂直轴风力发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面；此设计实现了最大功率跟踪，兼顾了最大功率系数，根据负载大小控制发电机转速，并能快速地跟踪负载变换，通过判断发电机转速的稳定性来修改转速设定值。

图1为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统的一个实施例的单个永磁垂直轴风力发电机结构示意图。如图1所示，所述实施例的永磁垂直轴风力发电机系统的发电机，包括风叶、连接杆件和支撑部分。发电机为直驱式永磁垂直轴发电机，用连接杆件将5个叶片与永磁垂直轴发电机轴相连，可以在陆地上安装好永磁垂直轴风力发电机系统，再于海上将永磁垂直轴风力发电机系统与漂浮式基础平台相连接。

图2为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统的一个实施例的浮式基础平台结构示意图。如图2所示，所述浮式基础平台来支撑垂直轴风力发电机，由于浮式基础平台在环境复杂的海上工作，并且与风机紧密结合，结构物不但自己受到风浪等环境因素干扰，而且还会互相干扰，这势必导致能量转换的不均衡，漂浮式基础平台的结构设计越趋于合理，则海上漂浮式风电系统就能越发平稳的工作而不出故障。

本发明实施例设计了集群式漂浮基础平台，包括多个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。

优选地，该平台包括六个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。进一步的，该平台选用6个浮筒每个浮筒下面分别采用悬链线系泊系统，整个结构构成浮式风电系统，悬链系泊系统能够使漂浮式基础平台在风浪作用下能够在限定范围内移动，不会使垂直轴发电机效率受到较大的影响。

图3为本发明海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法的一个实施例的逆变控制原理框图。

如图3所示的实施例方法，采用滑模变结构控制器设计逆变器，对永磁垂直轴发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面，来实现最大功率跟踪、兼顾最大功率系数，且根据负载大小控制发电机转速，快速跟踪负载变换，从而通过判断发电机转速的稳定性来修改转速设定值；所述的滑模变结构控制器设计，包括分别对转速、交轴电流、直轴电流的滑模控制器设计。

本发明实施例分别对转速、交轴电流、直轴电流做了滑模控制器设计，以便满足最大风能的捕捉要求。具体说明如下：

1.转速滑模控制器设计，控制目标为：实现最大功率点跟踪(MPPT)要求，转速控制器跟踪给定速度ω_r ^*，滑模变结构控制器输入为误差状态，即e_ω＝ω_r ^*-ω_r，转速滑模的控制量u＝i_q，则转速误差系统的方程为：

式(1)中为转速的一阶状态方程，对于一阶系统，通常选取线性滑模：

s_ω＝e_ω (2)

若采用选取(2)式作为线性滑膜，采用函数切换控制规律，设计出如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值ω_r ^*：

式(3)中，k₁＞0；sgn(s_m)为符号函数。

i_qeq为在永磁同步发电机在理想模型下解得的滑模等效控制项，即系统在和系统不存在不确定性时所需要的控制量，控制永磁同步发电系统模型的确定部分。因此，等效控制项只能保证系统状态在理想模型情况下沿着滑模面运动。

i_qn为滑模切换控制部分，当系统参数变化和外部扰动等不确定因素产生时，系统状态会离开滑模面，开关控制开始起作用，由李雅普诺夫稳定性定理可知，当系统滑模面函数大于0时，开关控制使得滑模面函数导数小于0，而当系统滑模面函数小于0时，开关控制滑动面的导数大于0，因此，滑模面函数的变化趋势和滑动面函数符号相反，当系统的状态偏离滑模面之后开关控制将其拉回滑模面，切换增益系数k₁影响了系统到达滑模面的速度。

选取李雅普诺夫函数为则V_ω(t)对时间求导得：

令系统设计参数k₁＞0，对于任意的s_ω≠0时，总有因此，该滑模速度控制器保证了滑动模态的存在性和稳定性。

2.交轴电流滑模控制器设计，控制目标为：交轴电流滑模控制器可跟踪交轴电流给定值i_q ^*，交轴电流滑模变结构控制器输入为交轴电流误差状态，即e_q＝i_q ^*-i_q，交轴电流滑模控制量u＝u_q，可得交轴电流的误差系统的方程为

式(5)为交轴电流的一阶状态方程，同样选择如下线性滑模：

s_q＝e_q (6)

选取(6)式作为线性滑膜，采用函数切换控制规律，设计出如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值i_q ^*：

式(7)中，k₂为系统设计参数；sgn(s_q)为符号函数。

3.直轴电流滑模控制器设计，控制目标为：直轴电流控制器跟踪直轴电流给定值i^* _d＝0，令e_d＝i_d ^*-i_d＝-i_d为直轴电流误差状态。同样选取如下线性滑模面：

s_d＝e_d (8)

选取(8)式中线性滑模面，采用函数切换控制规律，设计出如下控制规律，则发电机直轴电流将趋于给定值i_d ^*：

式(9)中，k₃为系统设计参数：sgn(s_d)为符号函数。

Claims (8)

1.一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，包括共用一个电力传输线路的多个永磁垂直轴风力发电机、整流器、逆变器、浮式基础平台；

所述的逆变器采用滑模控制器设计，对永磁垂直轴风力发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面；

所述的浮式基础平台包括多个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。

2.根据权利要求1所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述的浮式基础平台包括六个相互固定联接的浮子件；在每个所述的浮子件上安装有一个永磁垂直轴风力发电机。

3.根据权利要求1或2所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述的浮式基础平台的浮子件采用浮筒结构，各浮筒间用钢管进行固定联接；浮筒下面采用悬链线系泊系统。

4.根据权利要求1或2所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述的永磁垂直轴风力发电机系统的发电机为直驱式永磁垂直轴发电机，包括数个用连接杆件与永磁垂直轴发电机轴相连的叶片。

5.一种海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法，其特征在于，采用滑模变结构控制器设计逆变器，对永磁垂直轴发电机转速外环和电流内环分别选择线性滑模面，来实现最大功率跟踪、兼顾最大功率系数，且根据负载大小控制发电机转速，快速跟踪负载变换，从而通过判断发电机转速的稳定性来修改转速设定值；所述的滑模变结构控制器设计，包括分别对转速、交轴电流、直轴电流的滑模控制器设计。

6.根据权利要求5所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法，其特征在于，所述的对转速的滑模控制器设计，其步骤包括：

(6.1)设定转速滑模控制器的控制目标为：实现最大功率点跟踪MPPT要求，转速控制器跟踪给定速度ω_r ^*，滑模变结构控制器输入为误差状态，即e_ω＝ω_r ^*-ω_r，转速滑模的控制量u＝i_q，则转速误差系统的方程为：

其中，ω_r为转子转速；J为转动惯量；T_e为电磁转矩；T₁为负载转矩；B为摩擦系数；n_p为电机极对数；L_d，L_q分别为d,q轴电感；ψ_f为转子永磁体磁链；i_d,i_q分别为d，q轴电流分量；

式(1)中为转速的一阶状态方程，选取下式为线性滑模：

s_ω＝e_ω (2)

采用函数切换控制规律，设计出如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值ω_r ^*：

式(3)中，k₁＞0；sgn(s_m)为符号函数；i_qeq为在理想情况下解得的滑模等效控制项，即系统在和系统不存在不确定性时所需要的控制量；i_qn为滑模切换控制部分；

(6.2)选取李雅普诺夫函数为则V_ω(t)对时间求导得：

令系统设计参数k₁＞0，对于任意的s_ω≠0时，总有

7.根据权利要求5所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法，其特征在于，所述的对交轴电流的滑模控制器设计，其步骤包括：

(7.1)设定交轴电流滑模控制器的控制目标为：交轴电流滑模控制器可跟踪交轴电流给定值i_q ^*，交轴电流滑模变结构控制器输入为交轴电流误差状态，即e_q＝i_q ^*-i_q，交轴电流滑模控制量u＝u_q，可得交轴电流的误差系统的方程为；

式(5)为交轴电流的一阶状态方程，同样选择如下(6)式为线性滑模：

s_q＝e_q (6)

(7.2)采用函数切换控制规律，设计如下控制规律，则发电机转速将趋近于给定值i_q ^*：

式(7)中，k₂为系统设计参数；sgn(s_q)为符号函数。

8.根据权利要求5所述的一种海上永磁垂直轴风力发电系统逆变控制方法，其特征在于，所述的对直轴电流的滑模控制器设计，其步骤包括：

(8.1)设定直轴电流滑模控制器的控制目标为：直轴电流控制器跟踪直轴电流给定值i^* _d＝0，令e_d＝i_d ^*-i_d＝-i_d为直轴电流误差状态；选取如下线性滑模：

s_d＝e_d (8)

(8.2)采用函数切换控制规律，设计如下控制规律，则发电机直轴电流将趋于给定值i_d ^*：

式(9)中，k₃为系统设计参数：sgn(s_d)为符号函数。