CN111753381B - 基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及教育或演示用具的技术领域，具体为一种基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，包括数据采集终端、自适应控制模块和驱动模块，数据采集终端用于获取风轮给定转速，并采集风力信息；自适应控制模块用于根据风轮给定转速和风力信息生成桨叶控制信息；驱动模块用于根据桨叶控制信息生成控制桨叶的桨叶驱动信息；数据采集终端还用于采集风轮实际转速和桨叶的实际桨距角；自适应控制模块还用于根据风轮实际转速和风轮给定转速生成转速偏差，并根据转速偏差和实际桨距角更新桨叶控制信息。采用本方案能够解决现有技术中因变桨控制系统自适应能力不高，导致控制精度下降，风力发电机组的输出功率无法保持恒定的技术问题。

Description

基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统

技术领域

本发明涉及教育或演示用具的技术领域，具体为一种基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统。

背景技术

风力发电作为战略性新兴产业，其得到国家和地区的高度重视，已成为可再生能源发展领域的焦点，同时积极地开发风能对于改善能源系统结构、缓解能源危机、保护生态环境具有深远的意义，因此对于风力发电技术人才的培养显得尤为关键。但是由于现有的风力发电机组，一般高度在40米以上，体积较大，所需的场地也较大，不利用实验室开展教学实训，导致现有的人才培育受到阻碍。

为了加强对技术人才的实训教育培养，现有技术中对风力发电机组进行设计和改进，缩小风力发电机组的结构，从而获取适用于实验室的风力发电机组教学实验装置。在风力发电机组中，其输出功率和转矩的调节取决于风速的变化，当风速达到并超过额定值时，为避免风力发电机组超载运行，必须降低风力发电机组的气动效率，从而对输出功率进行限制，因此在风速变化较大时，需对风力发电机组中的桨叶进行变桨控制。变桨控制是降低风力发电机组在高风速下超载的一种有效方法，其通过改变桨叶位置和桨距角使得风力发电机组的输出功率保持恒定。

按照工作方式可将变桨控制分为统一变桨和独立变桨，统一变桨为所有桨叶采用一个执行机构驱动；独立变桨为每个桨叶采用独立的执行机构驱动。由于独立变桨的各桨叶能够各自独立控制，因此当某一桨叶出现故障时，其余桨叶仍能调节桨叶节距角，实现输出功能的控制，而统一变距在出现故障时，只能停机维修，因此相对而言，独立变桨的优势更为突出。现目前独立变桨的变桨控制系统普遍采用PID、模糊控制等，变桨控制系统的自适应能力不高，导致控制精度下降，最终使得风力发电机组的输出功率浮动变化大，偶发风力发电机组超载运行的现象。

发明内容

本发明意在提供一种基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，以解决现有技术中因变桨控制系统自适应能力不高，导致控制精度下降，风力发电机组的输出功率无法保持恒定的技术问题。

本发明提供基础方案是：基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，包括数据采集终端、自适应控制模块和驱动模块，数据采集终端用于获取风轮给定转速，并采集风力信息；自适应控制模块用于根据风轮给定转速和风力信息生成桨叶控制信息；驱动模块用于根据桨叶控制信息生成控制桨叶的桨叶驱动信息；数据采集终端还用于采集风轮实际转速和桨叶的实际桨距角；自适应控制模块还用于根据风轮实际转速和风轮给定转速生成转速偏差，并根据转速偏差和实际桨距角更新桨叶控制信息。

基础方案的有益效果是：

数据采集终端的设置，实现风轮给定转速的获取和风力信息的采集，风轮给定转速为期望风轮达到的稳定转速值，风力信息为通过风速计、风向标等获取的风轮当前所处位置的风力情况。还实现风轮实际转速和桨叶的实际桨距角的采集，风轮实际转速为经过控制后风轮实际达到的转速，实际桨距角为桨叶当前的桨距角。由于控制精度、机械结构的误差，导致实际执行情况与预期情况存在差距，因此采集风轮实际转速和实际桨距角作为后续控制的扰动量，提高控制精度。

自适应控制模块的设置，根据风轮给定转速和风力信息生成桨叶控制信息，从而实现对桨叶的控制。并根据风轮实际转速和风轮给定转速生成转速偏差，转速偏差即为预期的风轮转速和执行的风轮转速之间的差距，根据转速偏差和实际桨距角更新桨叶控制信息，从而消除固定误差，根据转速偏差实时调整桨叶控制信息。

驱动模块的设置，根据自适应控制模块输出的桨叶控制信息生成控制桨叶的桨叶驱动信息，从而实现对桨叶的控制，达到控制风轮转速的目的。通过消除固定误差，实时对桨叶控制信息进行调整，提高控制精度，从而使得风力发电机组保持恒定的输出功率。

进一步，数据采集终端还用于采集发电实际功率；自适应控制模块还用于根据风轮实际转速生成发电给定功率，并根据发电给定功率和发电实际功率生成功率误差，并根据功率误差和发电实际功率生成功率控制信息；驱动模块根据功率控制信息生成控制变换器的功率驱动信息。有益效果：自适应控制模块的设置，根据风轮实际转速生成发电给定功率，并根据发电给定功率和发电实际功率生成功率误差，功率误差即为根据风轮实际转速预期的发电功率和发电机实际的发电功率之间的差距，根据功率误差和发电实际功率生成功率控制信息，从而消除固定误差，根据功率误差实时调整变换器，从而实现风力发电机组保持恒定的输出功率。

进一步，风力信息包括风速和风向，数据采集终端包括风速计和风向标，风速计用于采集风速，风向标用于采集风向。有益效果：通过风速计采集风速，通过风向标采集风向，技术成熟，使用方便。

进一步，还包括塔架，塔架的顶端连接有机舱，塔架与机舱之间设有偏航装置，机舱上设有风轮，机舱内设有发电装置、变换器、储能装置和控制器，风轮的一端伸入机舱内与发电装置连接，发电装置与变换器连接，变换器与储能装置连接，控制器分别与风轮、偏航装置、发电机、变换器、储能装置连接，自适应控制模块和驱动模块搭载在控制器上。有益效果：塔架的设置，为整个装置提供支撑。机舱的设置，为风轮、发电装置、变换器等提供安装位置。偏航装置的设置，用于调节风轮旋转平面的方向，使得风轮的旋转平面与风向垂直。风轮的设置，用于获取风力，作为发电装置的动力。发电装置的设置，将风力转化为电能。变换器的设置，实现发电机和储能装置之间的功率变换。储能装置的设置，用于对发电机产生的电能进行存储。

进一步，还包括模拟实验评价模块，模拟实验评价模块用于获取模拟实验中的实验数据，并根据实验数据和预存的标准控制信息生成模拟实验结果。

名词说明：实验数据是指模拟实验中教师设定的初始数据，以及因学生的操作产生的实验数据；标准控制信息是指在不同风力控制信息下进行实验获取的标准输出功率曲线；模拟实验结果是指当前模拟实验的评分。

有益效果：模拟实验评价模块的设置，能够获取模拟实验中的实验数据，通过与标准控制信息进行对比，自动生成模拟实验结果，实现对学生的模拟实验评分。

进一步，模拟实验评价模块包括曲线绘制子模块和曲线对比模块，实验数据包括实验输出功率，标准控制信息包括标准输出功率曲线，曲线绘制子模块用于根据实验输出功率绘制实验输出功率曲线，曲线对比模块用于对比实验输出功率曲线和标准输出功率曲线生成模拟实验结果。

名词说明：实验输出功率是指风力发电机组的输出功率。

有益效果：风力发电机组模拟实验的结果可通过风力发电机组的输出功率进行反映，当风力发电机组的输出功率能够快速稳定，浮动范围小，即可认为模拟实验效果好，因此通过对比实验输出功率曲线和标准输出功率曲线生成模拟实验结果，反映当前模拟实验的实验状况。

进一步，还包括模拟算法存储模块和理论算法评价模块，模拟算法存储模块用于获取模拟实验中的模拟算法，理论算法评价模块用于根据模拟算法和接收的编写代码的相似度生成理论测试结果。

名词说明：模拟算法是指学生在进行模拟实验后自行编写的控制程序。

有益效果：模拟算法存储模块的设置，能够对学生在模拟实验过程中使用的算法进行存储，便于后续进行相似度评价。理论算法评价模块的设置，能够根据模拟算法和编写代码的相似度生成理论测试结果，通过相似度自动生成理论测试结果，从而判断该学生在之前进行的模拟实验过程中的贡献度，进而判断该学生是否积极参与到模拟算法的编写当中。

进一步，还包括评分模块，评分模块预设有评分权重，评分模块用于根据模拟实验结果、理论测试结果和评分权重生成总评评分。有益效果：评分模块的设置，根据模拟实验结果、理论测试结果和评分权重生成总评评分，综合考虑模拟实验结果、理论测试结果生成总评评分，能够对每一位学生进行有效的评价。

进一步，评分模块包括权重选取子模块，权重选取子模块预设有多个评分范围，评分权重包括平衡权重和优差权重，评分范围分别与平衡权重、优差权重对应，权重选取子模块用于根据理论测试结果所属的评分范围筛选出平衡权重或优差权重。有益效果：多种评分权重的设置，适用于不同的模拟实验结果、理论测试结果，达到对每一位学生进行有效评价的目的。权重选取子模块的设置，能够根据每位学生的理论测试结果判断该学生是否积极参与到模拟实验中，从而筛选出平衡权重或优差权重，计算出总评评分，实现对每一位学生的有效评价。

进一步，平衡权重为1:1，优差权重为1:3，评分范围包括第一评分范围、第二评分范围和第三评分范围，第一评分范围为80分及以上，第二评分范围为60分至80分，不包括80分，第三评分范围为60以下，第一评分范围和第三评分范围与优差权重对应，第二评分范围与平衡权重对应。有益效果，第一评分范围对应的学生在模拟实验中的贡献度较高，第三评分范围对应的学生在模拟实验中的贡献度较低，那相应的第一评分范围和第三评分范围对应的学生应将较高的权重放置在贡献度上，从而实现对每位学生的有效评价。

附图说明

图1为本发明基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统实施例一的逻辑框图；

图2为本发明基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统实施例三的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，如附图1所示，包括数据采集终端、自适应控制模块和驱动模块，数据采集终端用于获取风轮给定转速、并采集风力信息、风轮实际转速和桨叶的实际桨距角。风轮给定转速由工作人员根据所需的恒定功率进行设定，风力信息包括风速和风向，风速为风轮当前位置所受风力的速度，风向为风轮当前位置所受风力的方向，风轮实际转速为风轮在风力作用下的旋转速度，实际桨距角为当前桨叶的桨距角。

自适应控制模块用于根据风轮给定转速和风力信息生成桨叶控制信息；还用于根据风轮实际转速和风轮给定转速生成转速偏差，并根据转速偏差和实际桨距角更新桨叶控制信息。驱动模块用于根据桨叶控制信息生成控制桨叶的桨叶驱动信息。

数据采集终端包括上位机、风速计、风向标、转速传感器和角度传感器，上位机用于获取风轮给定转速，风速计用于采集风速，风向标用于采集风向，转速传感器用于采集转速传感器和角度传感器，角度传感器用于采集桨叶的实际桨距角。

还包括塔架，塔架的顶端连接有机舱，塔架与机舱之间设有偏航装置，偏航装置用于以塔架为轴旋转机舱，使得机舱正对风向。

机舱上设有风轮，风轮包括轮毂、桨叶、转轴和变桨机构，桨叶的一端与轮毂通过变桨机构转动连接，轮毂与转轴连接，桨叶受风力旋转并带动轮毂和转轴旋转。

机舱内设有发电装置、变换器和储能装置，发电装置包括变速齿轮箱和发电机，变速齿轮箱的低速轴与转轴键连接，变速齿轮箱的高速轴与发电机的输入轴键连接，变速齿轮箱用于提高发电机所输入的转速，发电机用于将接收的转速转化为电能。

发电装置与变换器连接，变换器与储能装置连接，变换器用于对发电机输出的电能进行功率变换并输入储能装置，储能装置用于对电能进行存储，

机舱内还设有控制器，控制器分别与风轮、偏航装置、发电机、变换器、储能装置连接，自适应控制模块和驱动模块搭载在控制器上。控制器用于根据桨叶驱动信息控制变桨机构，对桨叶的桨距角进行调整。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：

数据采集终端还用于采集发电实际功率，发电实际功率为风力发电机组输出的实际功率。自适应控制模块还用于根据风轮实际转速生成发电给定功率，并根据发电给定功率和发电实际功率生成功率误差，并根据功率误差和发电实际功率生成功率控制信息。驱动模块根据功率控制信息生成控制变换器的功率驱动信息。

数据采集终端还包括功率传感器，功率传感器用于采集风力发电机组的输出功率作为发电实际功率。

控制器还用于根据功率驱动信息控制变换器，对发电机和储能装置之间的功率变换进行调整。

实施例三

本实施例与实施例一的不同之处在于：本方案应用于学生模拟实验教学中，由于每次教学的学生数量较多，且模拟实验教学设备的造价并不低，因此模拟实验教学设备的数量与学生数量明显不符。为实现学生的模拟实验教学，现有的模拟实验通常采用两种方式，一是将学生分为小组，以小组为单位进行模拟实验，二是将学生分批次进行模拟实验，采用前一方式无法对每一学生的模拟实验情况进行评价，采用后一方式需要比较大的时间成本和教学成本，影响教师的教学进度和学生的学习进度。因此采用本方案能够解决现有技术中无法采用较少的时间成本实现对每一学生的模拟实验情况进行评价的问题。

基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，如附图2所示，还包括实验终端、模拟算法存储模块、模拟实验评价模块、数据库、编程终端、理论算法评价模块和评分生成模块，数据库中预存有标准控制信息，标准控制信息包括在不同风力控制信息下进行实验获取的标准输出功率曲线。

实验终端用于获取学生在模拟实验中使用的模拟算法，模拟算法为学生自行编写的控制程序。实验终端还用于供学生进行模拟实验操作，并在模拟实验操作完成时获取实验学生信息，实验学生信息为参与当前模拟实验控制程序编写的学生姓名，实验学生信息包括多名学生的姓名。

模拟算法存储模块用于获取实验学生信息和模拟算法，并将实验学生信息和模拟算法关联存储在数据库中。

模拟实验评价模块包括实验数据获取子模块、曲线绘制子模块和曲线对比子模块。

实验数据获取子模块用于获取模拟实验中的实验数据，实验数据是指模拟实验中教师设定的初始数据，以及因学生的操作产生的实验数据，例如控制风力的大小和风力的角度的数据，例如系统内的运行参数、转速偏差、桨叶控制信息、桨叶驱动信息、风力发电机组的输出功率等，在本实施例中，实验数据包括风力控制信息和实验输出功率。

曲线绘制子模块用于根据实验输出功率绘制实验输出功率曲线。曲线对比子模块用于根据风力控制信息获取标准控制信息中对应的标准输出功率曲线，并对比实验输出功率曲线和标准输出功率曲线生成模拟实验结果，模拟实验结果为当前模拟实验的评分。在其他实施例中，标准控制信息还包括标准输出功率曲线对应的偏差控制参数和标准桨叶控制信息，实验数据还包括转速偏差和标准桨叶控制信息，模拟实验评价模块还包括实验对比子模块，实验对比子模块用于对比偏差控制参数和转速偏差，以及对比标准桨叶控制信息和标准桨叶控制信息生成模拟实验结果。

编程终端用于供学生进行代码编写，并在代码编写完成时获取理论学生信息，并将编写代码和理论学生信息上传给理论算法评价模块，理论学生信息为编写该代码的学生姓名，理论学生信息包括一名学生的姓名。编程终端为计算机室内的电脑，其数量较多，可供多名学生同时使用。

理论算法评价模块包括原始算法获取子模块和算法对比子模块。

原始算法获取子模块用于根据理论学生信息从数据库中获取相同学生姓名的模拟算法。

算法对比子模块用于对比模拟算法和编写代码，并根据模拟算法和编写代码的相似度生成理论测试结果，理论测试结果为当前算法编写的评分。

评分模块包括权重选取子模块和评分生成子模块。

权重选取子模块预设有评分权重和评分范围，评分权重包括平衡权重和优差权重，评分范围包括第一评分范围、第二评分范围和第三评分范围，权重选取子模块用于根据理论测试结果获取所属的评分范围，并根据评分范围获取评分权重。具体的，在本实施例中，平衡权重为1:1，优差权重为1:3，以100为评分满分为例，第一评分范围为80分及以上，第二评分范围为60分至80分，不包括80分，第三评分范围为60以下。当理论测试结果属于第一评分范围或第三评分范围时，权重选取子模块根据理论测试结果获取优差权重，当理论测试结果属于第二评分范围时，权重选取子模块根据理论测试结果获取平衡权重。

评分生成子模块用于获取同一学生的模拟实验结果和理论测试结果，并根据理论测试结果筛选出的评分权重、模拟实验结果和理论测试结果生成总评评分。例如当模拟实验结果为90分，理论测试结果为95分，则筛选出优差权重1:3，最终生成的总评评分为

在进行风力发电机组的模拟实验时，将学生分为多个小组，以小组为单位进行模拟，模拟实验过程中，使用实验终端上传组内协助编写的模拟算法进行模拟实验操作，并在模拟实验完成时，使用实验终端上传组内成员的实验学生信息，即模拟实验结果为组内每一成员的模拟实验评分。因组内成员对于小组的贡献不同，在完成模拟实验后，还需进行理论测试，理论测试时，以学生个人为单位编写代码，编写代码即为模拟实验操作中使用的算法，根据编写代码和模拟算法的相似度，判断每一学生对小组的贡献度。根据贡献度筛选评分权重，当学生的贡献度较高和较低时，理论测试结果权重较大，当学生的贡献度一般时，模拟实验结果和理论测试结果的权重相同，从而实现在较少的时间成本下实现对每一学生的模拟实验情况进行评价。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (1)

1.基于自适应控制算法的风力发电机组模拟实验系统，包括数据采集终端、自适应控制模块和驱动模块，数据采集终端用于获取风轮给定转速，并采集风力信息；自适应控制模块用于根据风轮给定转速和风力信息生成桨叶控制信息；驱动模块用于根据桨叶控制信息生成控制桨叶的桨叶驱动信息；其特征在于：

数据采集终端还用于采集风轮实际转速和桨叶的实际桨距角；自适应控制模块还用于根据风轮实际转速和风轮给定转速生成转速偏差，并根据转速偏差和实际桨距角更新桨叶控制信息；

数据采集终端还用于采集发电实际功率；

自适应控制模块还用于根据风轮实际转速生成发电给定功率，并根据发电给定功率和发电实际功率生成功率误差，并根据功率误差和发电实际功率生成功率控制信息；

驱动模块根据功率控制信息生成控制变换器的功率驱动信息；

风力信息包括风速和风向，数据采集终端包括风速计和风向标，风速计用于采集风速，风向标用于采集风向；

还包括塔架，塔架的顶端连接有机舱，塔架与机舱之间设有偏航装置，机舱上设有风轮，机舱内设有发电装置、变换器、储能装置和控制器，风轮的一端伸入机舱内与发电装置连接，发电装置与变换器连接，变换器与储能装置连接，控制器分别与风轮、偏航装置、发电机、变换器、储能装置连接，自适应控制模块和驱动模块搭载在控制器上；

还包括模拟实验评价模块，模拟实验评价模块用于获取模拟实验中的实验数据，并根据实验数据和预存的标准控制信息生成模拟实验结果；

模拟实验评价模块包括曲线绘制子模块和曲线对比模块，实验数据包括实验输出功率，标准控制信息包括标准输出功率曲线，曲线绘制子模块用于根据实验输出功率绘制实验输出功率曲线，曲线对比模块用于对比实验输出功率曲线和标准输出功率曲线生成模拟实验结果；

还包括模拟算法存储模块和理论算法评价模块，模拟算法存储模块用于获取模拟实验中的模拟算法，理论算法评价模块用于根据模拟算法和接收的编写代码的相似度生成理论测试结果；

还包括评分模块，评分模块预设有评分权重，评分模块用于根据模拟实验结果、理论测试结果和评分权重生成总评评分；

评分模块包括权重选取子模块，权重选取子模块预设有多个评分范围，评分权重包括平衡权重和优差权重，评分范围分别与平衡权重、优差权重对应，权重选取子模块用于根据理论测试结果所属的评分范围筛选出平衡权重或优差权重；

平衡权重为1:1，优差权重为1:3，评分范围包括第一评分范围、第二评分范围和第三评分范围，第一评分范围为80分及以上，第二评分范围为60分至80分，不包括80分，第三评分范围为60以下，第一评分范围和第三评分范围与优差权重对应，第二评分范围与平衡权重对应。

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