CN111622899A - 一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法，已改传统机舱悬浮控制以悬浮气隙为目标的两侧独立控制，提出了机舱悬浮高度和悬浮同步一体化的控制策略；同时针对外界高频或湍流风速所致机舱悬浮所受干扰为快速时变性干扰，极易破环机舱悬浮性能问题，引入滑模项和自适应干扰补偿项，协同重构机舱悬浮轴向和俯仰干扰，提出了滑模自适应轴向和俯仰干扰观测器，与轴向和同步控制器一起，实现了重达484kg风力机舱稳定悬浮。本发明极大地提高了机舱悬浮稳定、快变干扰抑制以及两侧同步跟踪性能，有效提升了机舱两点悬浮同步性能和快变干扰抑制能力，同时对较重悬浮物的多点悬浮控制具有较强指导意义。

Description

一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法

技术领域

本发明涉及一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法，尤其是解决水平轴MW级风力机偏航对风功耗大稳定一种有效方法，属于风力发电磁悬浮控制领域。

背景技术

风机偏航装置为大中型水平轴风力发电系统关键组件，可实现风机桨叶正面迎风，提升风能捕获功率，但较重风机机舱以及多电机多齿轮偏航传动机制，往往导致风机偏航功耗大、故障率高、对风精度差等问题，为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬浮偏航系统，极大降低机舱偏航功耗。针对上述问题开展了风力机舱两点悬浮滑模协同控制，但对机舱两侧悬浮不同步问题没有涉及，而悬浮不同步直接导致机舱俯仰；发明专利2019105276364开展了机舱两侧独立自适应悬浮控制策略，同时引入自适应交叉耦合，提升风力机舱悬浮动态和同步性能，但上述控制都为基于两侧气隙有差后调节，具有一定控制滞后性特点，且对外界时变干扰抑制能力相对较弱；发明专利2020100239107提出了风力机舱主被动协同悬浮控制，采用了RBF神经网络自适应补偿俯仰干扰对轴向悬浮影响，虽然降低了控制自由度和控制成本，但机舱俯仰抑制精度不佳，同时上述研究都是基于机舱定转子之间的悬浮气隙稳定，而机舱偏航稳定关键是机舱悬浮高度稳定，机舱悬浮气隙稳定并非确保机舱悬浮高度稳定，同时风力机舱悬浮后存在诸多高频快变干扰，上述问题严重影响着风力机舱悬浮稳定性。

发明内容

本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法，其特征在于：风力机舱下端设置悬浮绕组和俯仰配重环，构成机舱旋转体，塔架上设置定子绕组以及高度检测板，所述俯仰配重环和悬浮绕组刚性联结，按照机舱前后两侧等分为两部分，前侧为桨叶侧，后侧为尾翼侧，俯仰配重环设置两涡流传感器测量机舱两侧悬浮高度，计算轴向悬浮高度和同步误差值，采用基于悬浮高度和同步误差的轴向控制器和同步控制器、电流分配器、轴向俯仰滑模自适应干扰观测器和电流跟踪控制器，将风力机舱稳定同步悬浮；所述轴向控制器，根据机舱两侧悬浮高度生成的机舱中心悬浮高度，并与机舱悬浮高度参考比较，用于控制机舱悬浮的轴向高度；所述同步控制器，根据机舱两侧悬浮高度差值获得机舱同步值，并与期望同步值0比较，控制机舱两侧悬浮高度同步；所述机舱轴向控制器和同步控制器采用含轴向高度和同步误差积分变量的轴向同步状态反馈控制，协同控制机舱悬浮高度；所述轴向俯仰滑模自适应干扰观测器采用滑模项重构轴向和俯仰的快变干扰，采用自适应干扰项逼近轴向和俯仰慢变干扰，并将轴向和俯仰干扰送至电流分配器；所述电流分配器根据轴向控制器和同步控制器输出以及轴向俯仰滑模自适应干扰观测的轴向和俯仰干扰值，计算机舱两侧悬浮电流参考；所述悬浮电流参考跟踪控制器控制两侧变流器的占空比，完成电流参考的跟踪；具体步骤如下：

步骤1，构建风力机舱轴向悬浮高度和两侧同步运动模型

第一步，构建机舱轴向俯仰两自由度运动方程

其中，δ_D为轴向中心悬浮气隙，θ为俯仰角度，m为机舱自重，Δm为俯仰配重环自重，F₁，F₂为机舱两侧悬浮吸力，分别为

μ₀为真空磁导率，N为绕组线圈匝数，S为悬浮绕组截面积，δ₁为机舱前侧悬浮气隙，δ₂为机舱后侧悬浮气隙，J为机舱俯仰惯量，l为俯仰配重环力矩，L为悬浮吸力等效力臂，f_d为机舱轴向干扰，T_p为外界俯仰干扰；

第二步，构建基于机舱两侧悬浮高度的悬浮吸力分别为

其中，h_ab为定子底端到检测板轴向中心高度，h₁和h₂分别为机舱两侧悬浮高度，P和Q分别为两侧悬浮高度权值；

第三步，基于h₁＝h_d-r sin θ，h₂＝h_d+r sin θ，其中，h_d为中心悬浮高度，r为俯仰配重环半径，引入轴向悬浮高度H和机舱悬浮同步误差e_p，令H＝(h₂+h₁)/2＝h_d，e_p＝h₂-h₁，机舱悬浮高度下的轴向同步跟踪模型为

步骤2，风力机舱悬浮高度轴向和同步跟踪控制器设计

第一步，基于平衡点(h₁₀＝h₂₀，i₁₀＝i₂₀)，对式(2)两悬浮力线性化，计算机舱两侧悬浮力合力和差力分别为：

其中，

第二步，将式(4)代入式(3)中，并结合F_h1(i₁₀,h₁₀,h₂₀)+F_h2(i₂₀,h₁₀,h₂₀)＝mg，则机舱轴向悬浮高度和两侧同步跟踪控制模型为：

其中，

第三步，机舱轴向控制器设计，引入轴向悬浮虚拟变量

e_H＝h_ref-H，并以

为虚拟控制输入，将式(5)转化为轴向悬浮高度误差增广模型为

其中，

采用状态反馈设置轴向虚拟控制输入和总电流值分别为

第四步，机舱同步控制器设计，引入

其中e_pref＝0，同时设置虚拟控制输入为

将式(5)机舱悬浮高度同步模型，调整为两侧同步误差增广模型为：

其中，

采用状态反馈获得同步跟踪控制器控制输入I_e为：

步骤3，由式(7)轴向悬浮电流和以及式(9)悬浮电流差值，计算获得机舱两侧悬浮电流参考值分别为

步骤4，风力机舱悬浮干扰观测器设计

第一步，机舱悬浮轴向和俯仰干扰特性分析

式(10)中俯仰干扰T_ep和轴向干扰f_dh，主要受制于有效风速V_x1、V_x2和V_z，具有湍流脉动最高变化频率100Hz，干扰变化率分别为

其中，ρ₀为空气密度，R是风轮桨叶半径，C_p为风机风能利用系数，A₃、A₄分别为转子桨叶在YOZ平面所形成的上下等效受力面积，A₁为机舱XOY平面等效受力面积，ρ₁和ρ₂分别为俯仰干扰和轴向干扰变化率最大值；

第二步，引入G_npv_p对俯仰干扰T_ep高频快变干扰重构，引入

对俯仰干扰T_ep中低频慢变部分在线估计，通过G_lpe_yp调整观测收敛速度，机舱俯仰滑模自适应干扰观测器为：

其中，

A₀＝A_p-G_lpC_p，存在G_lp＝[k₁k₂ k₃]，使得

则存在对称正定矩阵P_p和Q_p为满足A_0p ^TP_p+P_pA_0p＝-Q_p；

第三步，引入G_nHv_H对轴向干扰f_dh高频快变干扰重构，引入

对俯仰干扰f_dh中低频慢变部分在线估计，通过G_lHe_yh调整观测收敛速度，机舱轴向滑模自适应干扰观测器为

其中，

v_H＝ρ₂ sgn(e_yH)(ρ₂≥0)，

A_oH＝A_H-G_lHC_H，存在G_lH＝[k₄ k₅ k₆]，使得

则存在矩阵P_H和Q_H为对称正定矩阵满足A_0H ^TP_H+P_HA_0H＝-Q_H。

本发明的有益效果是：

1)基于悬浮高度进行机舱悬浮控制，悬浮气隙为机舱定转子之间距离，而真正决定风力机舱稳定的是悬浮高度稳定，同时为防止偏航电机定、转子间磁场影响电涡流传感器测量精度，将电涡流传感器安装在俯仰配重环下侧检测机舱悬浮高度，确保机舱严格水平，为风机偏航控制奠定基础；

2)提出了含跟踪误差积分的轴向同步控制器，根据机舱两侧悬浮高度控制机舱轴向运动保持机舱水平同步悬浮，由电流分配器生成电流内环参考设定，可有效应对风机悬浮工况恶劣，提升机舱悬浮稳定性和同步性能；

3)提出了滑模自适应干扰观测器，引入滑模项和自适应补偿项协同重构机舱悬浮所受轴向和俯仰中的高频和慢变干扰，已改传统观测器将外界干扰弱化为0的做法，极大提升了机舱悬浮干扰抑制能力。

附图说明

图1为本发明水平轴风力机舱同步悬浮结构图。

图2为本发明水平轴风力机舱同步悬浮控制结构图。

图3为本发明控制下的机舱变气隙跟踪仿真实验图。

图4为传统控制器控制下的机舱变气隙跟踪仿真实验图。

图5为本发明控制下的机舱单侧干扰仿真实验图。

图6为传统控制器控制下机舱单侧干扰仿真实验图。

图7为本发明控制下机舱轴向干扰仿真实验图。

图8为传统控制器控制下机舱轴向干扰仿真实验图。

图中：1-风机桨叶，2-机舱，3-定子绕组，4-桨叶侧绕组，5-尾翼侧绕组，6-桨叶侧电涡流传感器，7-尾翼侧电涡流传感器，8-塔架，9-俯仰配重环，10-高度检测板，11-轴向控制器，12-同步控制器，13-电流分配器，14-轴向干扰观测器，15-俯仰干扰观测器，16-桨叶侧电流跟踪控制器，17-尾翼侧电流跟踪控制器，18-桨叶侧变流器，19-尾翼侧变流器，20-机舱悬浮绕组，21-机舱轴向同步信号生成器。

具体实施方式

一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法，其特征在于：水平轴风力机舱2下端设置悬浮绕组(4,5)和俯仰配重环9，统一构成机舱旋转体，塔架8上设置定子绕组3以及高度检测板10，所述俯仰配重环8和悬浮绕组(4,5)刚性联结，按照机舱前后两侧等分为两部分，俯仰配重环设置两涡流传感器测量机舱两侧悬浮高度，计算轴向悬浮高度和同步误差值，采用基于悬浮高度和同步误差的轴向同步跟踪控制器(11,12)、电流分配器(13)、电流跟踪控制器(16,17)、轴向俯仰滑模自适应干扰观测器(14,15)复合策略，将风力机舱稳定同步悬浮；所述机舱轴向控制器11，根据机舱两侧悬浮高度生成的机舱中心悬浮高度，并与机舱悬浮高度参考比较，用于控制机舱悬浮的轴向高度；所述机舱同步控制器12，根据机舱两侧悬浮高度差值获得机舱同步值，并与期望同步值0比较，控制机舱两侧悬浮高度同步；所述机舱轴向控制器和同步控制器采用含轴向高度和同步误差积分变量的轴向同步状态反馈控制，协同控制机舱悬浮高度；所述轴向俯仰滑模自适应干扰观测器采用滑模项重构轴向和俯仰的快变干扰，采用自适应干扰项逼近轴向和俯仰慢变干扰，并将轴向和俯仰干扰送至电流分配器；所述电流分配器根据轴向控制器和同步控制器输出以及轴向俯仰滑模自适应干扰观测的轴向和俯仰干扰值，计算机舱两侧悬浮电流参考；所述电流跟踪控制器控制两侧变流器的占空比，完成电流参考的跟踪。

下面结合附图以及实例，对本发明作进一步详细说明。

风力机舱悬浮协同参数如表1所示，机舱悬浮重量484kg，悬浮绕组总匝数930匝，两侧侧绕组匝数为465匝，机舱旋转半径为360mm，两悬浮变流器功率各为1kW，悬浮高度传感器采用电涡流位移传感器，精度为0.27v/mm。分别进行3个仿真实例验证本发明效果，分别为变气隙跟踪实验、单侧干扰施加实验以及轴向干扰仿真实验，控制器参数如表2所示。

表1风力磁悬浮偏航系统机舱悬浮系统参数

表2仿真控制器参数

实例一变气隙跟踪仿真实验，如图3和图4所示，机舱在t＝0s时刻开始悬浮，初始悬浮高度为10mm，其中，0～75s机舱悬浮高度参考设定13mm，在t＝75s～145s悬浮高度参考为13.5mm，t＝145s～200s悬浮高度参考高度为13mm，分别与传统两点独立控制的状态反馈控制器(以下简称传统控制器)进行性能对比分析，悬浮性能如表3所示，起动时间0.5s，参考变化过渡时间为1.0s，超调量为0.025mm，稳态误差为0.001mm，远优于传统控制器悬浮性能，验证了本发明具有较强气隙跟踪能力以及稳态性能。

表3变气隙跟踪性能对比

表4机舱单侧干扰性能对比表

实例二单侧干扰仿真实验，如图5和图6所示，分析机舱两侧悬浮控制的同步性能。设定机舱初始高度参考值为13mm，80s至140s给系统尾翼侧施加22.5kg的悬浮重物，给系统制造225N单侧下压力，模拟外界风对机舱产生的侧偏力。分别进行本发明与传统两点独立控制的状态反馈控制器(以下简称传统控制器)的性能对比，如表4所示，本发明分别在最大高度跌落、悬浮高度跌落回归时间、悬浮高度最大上升值以及悬浮高度上升回归时间等方面明显优于无同步控制器的性能(1.48mm，0.5s，1.55mm，0.5s)。

实例三轴向干扰仿真实验，如图7和图8所示，设定机舱初始悬浮高度参考值为13mm，80s至140s对悬浮机舱施加40kg重物干扰，给系统制造400N轴向下压力，模拟外界风对机舱的产生的下压力。分别进行本发明与传统两点独立控制的状态反馈控制器(以下简称传统控制器)的性能对比，对比结果如表5所示，不论是在悬浮高度最大跌落值，跌落回归时间、悬浮高度最大上升值以及上升回归时间方面，本发明控制效果明显优于传统控制器(0.42mm，1.4s，0.5mm，1.4s)。

表5轴向干扰力施加性能对比

Claims (1)

1.一种水平轴风力机舱同步悬浮控制方法，其特征在于：风力机舱下端设置悬浮绕组和俯仰配重环，构成机舱旋转体，塔架上设置定子绕组以及高度检测板，所述俯仰配重环和悬浮绕组刚性联结，按照机舱前后两侧等分为两部分，前侧为桨叶侧，后侧为尾翼侧，俯仰配重环设置两涡流传感器测量机舱两侧悬浮高度，计算轴向悬浮高度和同步误差值，采用基于悬浮高度和同步误差的轴向控制器和同步控制器、电流分配器、轴向俯仰滑模自适应干扰观测器和电流跟踪控制器，将风力机舱稳定同步悬浮；所述轴向控制器，根据机舱两侧悬浮高度生成的机舱中心悬浮高度，并与机舱悬浮高度参考比较，用于控制机舱悬浮的轴向高度；所述同步控制器，根据机舱两侧悬浮高度差值获得机舱同步值，并与期望同步值0比较，控制机舱两侧悬浮高度同步；所述机舱轴向控制器和同步控制器采用含轴向高度和同步误差积分变量的轴向同步状态反馈控制，协同控制机舱悬浮高度；所述轴向俯仰滑模自适应干扰观测器采用滑模项重构轴向和俯仰的快变干扰，采用自适应干扰项逼近轴向和俯仰慢变干扰，并将轴向和俯仰干扰送至电流分配器；所述电流分配器根据轴向控制器和同步控制器输出以及轴向俯仰滑模自适应干扰观测的轴向和俯仰干扰值，计算机舱两侧悬浮电流参考；所述悬浮电流参考跟踪控制器控制两侧变流器的占空比，完成电流参考的跟踪；具体步骤如下：

步骤1，构建风力机舱轴向悬浮高度和两侧同步运动模型

第一步，构建机舱轴向俯仰两自由度运动方程

其中，δ_D为轴向中心悬浮气隙，θ为俯仰角度，m为机舱自重，Δm为俯仰配重环自重，F₁，F₂为机舱两侧悬浮吸力，分别为

μ₀为真空磁导率，N为绕组线圈匝数，S为悬浮绕组截面积，δ₁为机舱前侧悬浮气隙，δ₂为机舱后侧悬浮气隙，J为机舱俯仰惯量，l为俯仰配重环力矩，L为悬浮吸力等效力臂，f_d为机舱轴向干扰，T_p为外界俯仰干扰；

第二步，构建基于机舱两侧悬浮高度的悬浮吸力分别为

其中，h_ab为定子底端到检测板轴向中心高度，h₁和h₂分别为机舱两侧悬浮高度，P和Q分别为两侧悬浮高度权值；

第三步，基于h₁＝h_d-rsinθ，h₂＝h_d+rsinθ，其中，h_d为中心悬浮高度，r为俯仰配重环半径，引入轴向悬浮高度H和机舱悬浮同步误差e_p，令H＝(h₂+h₁)/2＝h_d，e_p＝h₂-h₁，机舱悬浮高度下的轴向同步跟踪模型为

步骤2，风力机舱悬浮高度轴向和同步跟踪控制器设计

第一步，基于平衡点(h₁₀＝h₂₀，i₁₀＝i₂₀)，对式(2)两悬浮力线性化，计算机舱两侧悬浮力合力和差力分别为：

其中，

第二步，将式(4)代入式(3)中，并结合F_h1(i₁₀,h₁₀,h₂₀)+F_h2(i₂₀,h₁₀,h₂₀)＝mg，则机舱轴向悬浮高度和两侧同步跟踪控制模型为：

其中，

第三步，机舱轴向控制器设计，引入轴向悬浮虚拟变量

e_H＝h_ref-H，并以

为虚拟控制输入，将式(5)转化为轴向悬浮高度误差增广模型为

其中，

采用状态反馈设置轴向虚拟控制输入和总电流值分别为

第四步，机舱同步控制器设计，引入

其中e_pref＝0，同时设置虚拟控制输入为

将式(5)机舱悬浮高度同步模型，调整为两侧同步误差增广模型为：

其中，

采用状态反馈获得同步跟踪控制器控制输入I_e为：

步骤3，由式(7)轴向悬浮电流和以及式(9)悬浮电流差值，计算获得机舱两侧悬浮电流参考值分别为

步骤4，风力机舱悬浮干扰观测器设计

第一步，机舱悬浮轴向和俯仰干扰特性分析

式(10)中俯仰干扰T_ep和轴向干扰f_dh，主要受制于有效风速V_x1、V_x2和V_z，具有湍流脉动最高变化频率100Hz，干扰变化率分别为

其中，ρ₀为空气密度，R是风轮桨叶半径，C_p为风机风能利用系数，A₃、A₄分别为转子桨叶在YOZ平面所形成的上下等效受力面积，A₁为机舱XOY平面等效受力面积，ρ₁和ρ₂分别为俯仰干扰和轴向干扰变化率最大值；

第二步，引入G_npv_p对俯仰干扰T_ep高频快变干扰重构，引入

对俯仰干扰T_ep中低频慢变部分在线估计，通过G_lpe_yp调整观测收敛速度，机舱俯仰滑模自适应干扰观测器为：

其中，

v_p＝-ρ₁sgn(e_yp)(ρ₁≥0)，

A₀＝A_p-G_lpC_p，存在G_lp＝[k₁ k₂k₃]，使得

则存在对称正定矩阵P_p和Q_p为满足A_0p ^TP_p+P_pA_0p＝-Q_p；

第三步，引入G_nHv_H对轴向干扰f_dh高频快变干扰重构，引入

对俯仰干扰f_dh中低频慢变部分在线估计，通过G_lHe_yh调整观测收敛速度，机舱轴向滑模自适应干扰观测器为

其中，

v_H＝ρ₂sgn(e_yH)(ρ₂≥0)，

A_oH＝A_H-G_lHC_H，存在G_lH＝[k₄ k₅k₆]，使得

则存在矩阵P_H和Q_H为对称正定矩阵满足A_0H ^TP_H+P_HA_0H＝-Q_H。

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