CN111287888B - 漂浮式风机独立变桨控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明漂浮式风机独立变桨控制方法,包括1)对漂浮式风机的桨叶机械结构进行分析,获得桨叶机械结构动力学方程,2)建立独立变桨模型,3)设计控制器ui,4)用设计的控制器ui控制漂浮式风机。本发明漂浮式风机独立变桨控制方法,通过建立包含扰动因素的独立变桨模型,并引入速率函数,所设计的控制器能自适应跟踪期望的桨距角,并且误差能够在有限的时间内收敛,风机往往都是大型时滞的非线性系统,有限时间收敛能够使风机在复杂的外界条件下快速做出反应,以此来降低风机的载荷,维持风机功率的稳定,以及延长风机的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及漂浮式风力发电技术领域,特别涉及一种漂浮式风机控制方法。
背景技术
漂浮式风机与陆上和近海的风力发电机相比,运行环境更加恶劣,虽然现有技术中出现了一些控制漂浮式风机抑制荷载的方法,但是由于存在以下三种问题导致现有方法的实施效果并不理想,第一个问题是由于漂浮式风机模型里的一些参数是时变的,传统控制方法并不能自适应参数时变特性,使得长时间运行后会存在着一些误差;第二个问题是漂浮式风机模型会存在一些扰动,传统控制方法不能处理这些扰动,导致最后的跟踪效果不是很好,第三个问题是由于传统控制方法的收敛方式不是指数型收敛的,也就不能按照实际工程所需要的要求去收敛。
由此,迫切需要新的漂浮式风机控制方法来维持漂浮式风机功率的稳定和载荷的抑制。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种漂浮式风机独立变桨控制方法,以解决在极端的环境下也能降低风机的载荷,维持风机功率稳定的技术问题。
本发明1)对漂浮式风机的桨叶机械结构进行分析,获得动力学方程:
式中,βi是第i片桨叶的桨距角,和分别是βi的一阶导数和二阶导数,Tdri是第i片桨叶变桨调节驱动力矩,Ttwi是第i片桨叶所受的扭转力矩和空气动力产生的扰动力矩的总和,Ji是第i片桨叶绕其轴的转动惯量;kDi是第i片桨叶的阻尼系数;kFi是第i片桨叶轴承的摩擦系数;
将式(1)写成矩阵方程的形式,建立三桨叶水平轴风力机桨叶系统动力学模型,
式中,β=[β1,β2,β3]T∈R3;u=[u1,u2,u3]T=[Idr1,Idr2,Idr3]T∈R3; Tdr=[Tdr1,Tdr2,Tdr3]T∈R3;J(β)=diag[J1,J2,J3]∈R3×3;Idri表示调节第i片桨叶桨距角到需要的角度时的驱动电流,Idri和Tdri的关系线性化为Tdri=CTiIdri,CTi为常数, CT=diag[CT1,CT2,CT3]∈R3×3是正定常对角矩阵;
3)引入误差模型:
x2=z2+y2+α1 (5)
为了实现有限时间收敛,引入如下速率函数
其中的0<bf<1是设计参数,T>0是有限收敛时间,再进行以下转换
设计如下控制器
4)用设计的控制器ui控制漂浮式风机。
本发明的有益效果:
本发明漂浮式风机独立变桨控制方法,通过建立包含扰动因素的独立变桨模型,并引入速率函数,所设计的控制器能自适应跟踪期望的桨距角,并且加入了速率函数后使得控制器能够快速跟踪桨距角,误差能够在有限的时间内收敛,使得在极端情况下也能降低风机的载荷,维持风机功率的稳定。
附图说明
图1第i片桨叶变桨机构机械示意图;
图2桨叶桨距角跟踪误差图;
图3桨距角1在不同收敛时间下误差图;
图4挥舞力矩曲线图,图中虚线为实施例中的控制器,实线为PID控制器;
图5拍打力矩曲线图,图中虚线为实施例中的控制器,实线为PID控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例漂浮式风机独立变桨控制方法,
1)对漂浮式风机的桨叶机械结构进行分析,获得动力学方程:
式中,βi是第i片桨叶的桨距角,和分别是βi的一阶导数和二阶导数,Tdri是第i片桨叶变桨调节驱动力矩,Ttwi是第i片桨叶所受的扭转力矩和空气动力产生的扰动力矩的总和,Ji是第i片桨叶绕其轴的转动惯量;kDi是第i片桨叶的阻尼系数;kFi是第i片桨叶轴承的摩擦系数;
将式(1)写成矩阵方程的形式,建立三桨叶水平轴风力机桨叶系统动力学模型,
式中,β=[β1,β2,β3]T∈R3;u=[u1,u2,u3]T=[Idr1,Idr2,Idr3]T∈R3; Tdr=[Tdr1,Tdr2,Tdr3]T∈R3;J(β)=diag[J1,J2,J3]∈R3×3;Idri表示调节第i片桨叶桨距角到需要的角度时的驱动电流,Idri和Tdri的关系线性化为Tdri=CTiIdri,CTi为常数, CT=diag[CT1,CT2,CT3]∈R3×3是正定常对角矩阵;
3)引入误差模型:
x2=z2+y2+α1 (5)
为了实现有限时间收敛,引入如下速率函数
其中的0<bf<1是设计参数,T>0是有限收敛时间,所设计的速率函数的跟踪速率高,能够快速的收敛,能更好的作用在风机上;再进行以下转换
设计如下控制器
4)用设计的控制器ui控制漂浮式风机。
采用本实施例中的控制器ui对漂浮式风机独立变桨进行仿真控制,从图3可以看出桨距角1跟踪误差能在短时间快速收敛;
图4是叶根载荷曲线。由图可知,在我们设计的控制器的作用下,叶片挥舞力矩得到了适当降低,叶片载荷也相对减少了。PID控制的统一变桨控制器使得叶根载荷超过了5000KNm,而在我们设计的控制器下叶根载荷全部低于5000KNm,说明我们设计的控制器对于叶根载荷的控制起到了明显的作用。
图5中,随着风速变化,拍打力矩跟随风速而变化,当叶片旋转到不同位置时,由于空气动力作用位置不同而呈现出不同的拍打力矩。由图可知,相同风速情况下,我们设计的变桨控制器能够更快的对桨距角做出调节进而改善叶根拍打力矩,实现叶片载荷的降低。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种漂浮式风机独立变桨控制方法,其特征在于:包括
1)对漂浮式风机的桨叶机械结构进行分析,获得动力学方程:
式中,βi是第i片桨叶的桨距角,和分别是βi的一阶导数和二阶导数,Tdri是第i片桨叶变桨调节驱动力矩,Ttwi是第i片桨叶所受的扭转力矩和空气动力产生的扰动力矩的总和,Ji是第i片桨叶绕其轴的转动惯量;kDi是第i片桨叶的阻尼系数;kFi是第i片桨叶轴承的摩擦系数;
将式(1)写成矩阵方程的形式,建立三桨叶水平轴风力机桨叶系统动力学模型,
式中,β=[β1,β2,β3]T∈R3;u=[u1,u2,u3]T=[Idr1,Idr2,Idr3]T∈R3; Tdr=[Tdr1,Tdr2,Tdr3]T∈R3;J(β)=diag[J1,J2,J3]∈R3×3;Idri表示调节第i片桨叶桨距角到需要的角度时的驱动电流,Idri和Tdri的关系线性化为Tdri=CTiIdri,CTi为常数, CT=diag[CT1,CT2,CT3]∈R3×3是正定常对角矩阵;
3)引入误差模型:
x2=z2+y2+α1 (5)
为了实现有限时间收敛,引入如下速率函数
其中的0<bf<1是设计参数,T>0是有限收敛时间,再进行以下转换
设计如下控制器
4)用设计的控制器ui控制漂浮式风机。
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