CN111188732A - 一种风力发电变桨鲁棒容错控制方法 - Google Patents

一种风力发电变桨鲁棒容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对风力发电系统变桨距控制问题，发明了一种风力发电变桨鲁棒容错控制方法。本发明提出的风力发电变桨鲁棒容错控制方法分为二个部分，第一个部分是主控制器的设计；第二个部分为基于状态观测器‑补偿器的设计。在无故障或无扰动时，主控制器进行系统控制，在存在故障或扰动时，通过状态观测器的估计值，补偿器给与一定的控制补偿。本发明的一种风力发电变桨鲁棒容错控制方法不仅具有动态性能好，鲁棒性高等优点，由于状态观测器和补偿器的存在提高了控制器的鲁棒性，提高了控制器反应速度。

Description

一种风力发电变桨鲁棒容错控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种鲁棒容错控制的变桨距控制方法。
背景技术
风电机组变桨距系统通过桨距控制器，完成叶片节距角的控制，在切入风速以上到额定风速以下范围内时，保持风力机桨距角不变，通过改变电机转速使风力机运行在最佳叶尖速比下来实现最大风能跟踪控制；在额定风速以上到切出风速时，使转速维持在额定转速附近，通过调节桨距角使发电机组输出保持功率恒定，当风速大于切出风速时，进行停机保护。
由于风速的随机性、风电机组参数的时变性，驱动大质量叶轮负载的惯性环节，使得变桨距控制系统具有参数非线性、参数时变性、滞后性等特点，造成风电机组输出功率的不稳定。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种新的鲁棒容错控制器的变桨距控制方法，利用主控制器PID与状态观测器、补偿器相结合的原理来实现控制，用于改善传统变桨距控制滞后的缺点。
技术方案：为了克服上述问题，将主控制器PID与状态观测器、补偿器相结合，来弥补传统方法的不足，使得系统响应快、控制精度高，具有良好的动态品质，保证风电机组正常、高效和可靠地运行。
本发明提出的一种新的风力发电变桨鲁棒容错控制方法，其特征在于在无故障或无扰动时，主控制器进行系统控制，在存在故障或扰动时，通过状态观测器的估计值，补偿器给与一定的控制补偿。控制系统设计分为主控制器的设计和基于状态观测器-补偿器的设计，设计如下：
主控制器PID的设计：
无故障时，主控制器进行系统控制，根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：
Figure BDA0002372356950000021
其中uPID(t)是调节器的输出信号；KP比例系数；TI积分时间；TD微分时间，u0控制常量；
状态观测器-补偿器的设计
风力发电风能转换系统非线性模型为：
Figure BDA0002372356950000022
其中
Figure BDA0002372356950000023
BV(ξ)＝[0 kr,v(ξ)0T
C＝[0 1 0],
Figure BDA0002372356950000024
为参考向量，动态状态向量x＝[θr wr ρ]T,θr为转子扭转角，β为桨距角，wr为转子转速，ρ为空气密度，输入控制变量u＝[βr]，βr为变桨控制器决定的变桨距角，J包含风机的全部转动惯量，Kt为传动链的刚度和，Br为传动链的阻尼，τ为时间常量，
Figure BDA0002372356950000031
Ta为电机风轮驱动转矩，
Figure BDA0002372356950000032
为参考桨距角，v为风速，
Figure BDA0002372356950000033
为参考风速，
Figure BDA0002372356950000034
为参考转子转速，w(t)为未知扰动，y为转子转速的输出。
这个系统可以扩展为：
Figure BDA0002372356950000035
其中x1为系统的扩展状态，x2(t)为w(t)的扩展状态，Q(t)是x2(t)的负导数，y1为扩展状态的输出。
将w(t)作为状态，状态观察可以写成：
Figure BDA0002372356950000036
其中z1为状态估计，z2为w(t)的扰动估计，ρ1和ρ2是待定参数，y是系统输出
g1(ε)和g2(ε)被定义为如下
g1(ε)＝ε
(5)
Figure BDA0002372356950000041
α和δ为待定参数，sign(ε)为符号函数，
则补偿器的输出为
ucf＝-b0 -1z2 (7)
其中b0为待定参数。
控制系统的输入为
u＝u1+ucf (8)
其中
Figure BDA0002372356950000042
整个控制由两个部分组成:
主控制器：
当无故障时，用主控制器PID控制，通过给定的风轮转速r与检测到的输出风轮转速y构成偏差，通过将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量uPID，对控制系统进行控制。
补偿器：
当系统检测到有故障和扰动时，主控制器和无故障时一样运行，此时，状态观测器运行，对扰动和故障进行估计，得到偏差ε与状态及扰动估计z1、z2，补偿器通过状态观测器给的扰动估计进行扰动补偿，给出补偿控制量ucf，最后主控器PID给的控制量uPID与状态观测-补偿器给出的补偿量ucf构成总的控制量u，对控制系统进行控制。有益效果：本发明的一种新的风力发电变桨鲁棒容错控制方法不仅具有动态性能好，鲁棒性高等优点，由于状态观测器和补偿器的存在提高了控制器的精确度，提高了控制器反应速度。
附图说明
图1风力发电变桨鲁棒容错控制框图
整个控制由主控制器和补偿器组成，当无故障或无扰动时，通过给定值r与输出值y的差值e由主控制器(PID)给控制系统一个控制量uPID来实现对系统的控制；当存在故障或扰动时，控制系统是由主控制器和基于状态观测—补偿器一起控制，先由主控制器给与一定的控制量uPID；状态观测器对扰动进行估计，由补偿器给与一定的控制补偿ucf，然后两个控制量叠加在一起，构成控制量u来实现对控制系统的控制。
具体实施方式：
本发明提出的一种新的风力发电变桨鲁棒容错控制方法结合控制系统结构图其具体实施方案详述如下。
1.主控制器PID的设计与参数的确定：
无故障时，主控制器进行系统控制，根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：
Figure BDA0002372356950000051
其中uPID(t)是调节器的输出信号；KP比例系数；TI积分时间；TD微分时间，u0控制常量；
参数的确定是根据2MW风机实际参数调节出来的，具体参数为：KP＝0.99；TI＝0.000015；TD＝0.011；
2.状态观测器-补偿器的设计与参数的确定：
风力发电变桨非线性系统为：
Figure BDA0002372356950000061
这个系统可以扩展为：
Figure BDA0002372356950000062
其中x1为系统的扩展状态,x2(t)为w(t)的扩展状态，Q(t)是x2(t)的导数，y1为扩展状态的输出。
将w(t)作为状态，状态观察可以写成：
Figure BDA0002372356950000063
其中z1为状态估计，z2为w(t)的扰动估计，ρ1和ρ2是待定参数，调节参数为ρ1＝150；ρ2＝500；y是系统输出g1(ε)和g2(ε)被定义为如下
g1(ε)＝ε (14)
Figure BDA0002372356950000071
α和δ为待定参数，调节参数为α＝0.53；δ＝0.00015；
sign(ε)为符号函数，
则补偿器的输出为
ucf＝-b0 -1z2 (16)
其中b0为待定参数，调节参数为b0＝-1；ucf为补偿器的输出。
控制系统的输入为
u＝u1+ucf (17)
其中
Figure BDA0002372356950000072
上述具体实现只是本发明的较佳实现而已，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其本质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作为各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种新的风力发电变桨鲁棒容错控制方法，其特征在于在无故障或无扰动时，主控制器进行系统控制，在存在故障或扰动时，通过状态观测器的估计值，补偿器给与一定的控制补偿，控制系统设计分为主控制器的设计和基于状态观测器-补偿器的设计：
(1)主控制器的设计
本发明中采用了广泛使用的PID控制器为主控制器
无故障时，主控制器进行系统控制，根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：
Figure FDA0002372356940000011
其中uPID(t)是调节器的输出信号；KP比例系数；TI积分时间；TD微分时间，u0控制常量；
(2)、基于状态观测器的补偿器设计
通过分析非线性系统，设计状态观测器以及补偿器的算法
风力发电风能转换系统非线性模型为：
Figure FDA0002372356940000012
其中
Figure FDA0002372356940000013
BV(ξ)＝[0 kr,v(ξ) 0]TC＝[0 1 0],
Figure FDA0002372356940000021
为参考向量，动态状态向量x＝[θr wr ρ]T,θr为转子扭转角，β为桨距角，wr为转子转速，ρ为空气密度，输入控制变量u＝[βr]，βr为变桨控制器决定的变桨距角，J包含风机的全部转动惯量，Kt为传动链的刚度和，Br为传动链的阻尼，τ为时间常量，
Figure FDA0002372356940000022
Ta为电机风轮驱动转矩，
Figure FDA0002372356940000023
为参考桨距角，v为风速，
Figure FDA0002372356940000024
为参考风速，
Figure FDA0002372356940000025
为参考转子转速，w(t)为未知扰动，y为转子转速的输出；
这个系统可以扩展为：
Figure FDA0002372356940000026
其中x1为系统的扩展状态，x2(t)为w(t)的扩展状态，Q(t)是x2(t)的负导数，y1为扩展状态的输出；
将w(t)作为状态，状态观察可以写成：
Figure FDA0002372356940000027
其中z1为系统状态估计，z2为w(t)的扰动估计，ρ1和ρ2是待定参数，y是系统输出
g1(ε)和g2(ε)被定义为如下
g1(ε)＝ε (5)
Figure FDA0002372356940000031
α和δ为待定参数，sign(ε)为符号函数
则补偿器的输出为
ucf＝-b0 -1z2 (7)
其中b0为待定参数。
系统控制的输出为
u＝u1+ucf (8)
其中
Figure FDA0002372356940000032
1运行如下：当无故障时，用主控制器PID控制，通过给定的风轮转速r与检测到的输出风轮转速y构成偏差，通过将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量uPID，对控制系统进行控制；
当系统检测到有故障和扰动时，主控制器和无故障时一样运行，此时，状态观测器运行，对扰动和故障进行估计，得到偏差ε与状态及扰动估计z1、z2，补偿器通过状态观测器给的扰动估计进行扰动补偿，给出补偿控制量ucf，最后主控器PID给的控制量uPID与状态观测-补偿器给出的补偿量ucf构成总的控制量u，对控制系统进行控制。
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