CN111997837B - 液压型风电机组功率主动控制系统及其主动控制方法 - Google Patents

液压型风电机组功率主动控制系统及其主动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种液压型风电机组功率主动控制系统及其主动控制方法，主动控制系统包括风力机、液压传动装置、液压储能装置和发电装置。当风电机组进行功率控制时，控制变量马达的摆角从而控制风轮动能调控进入液压储能装置的功率。然后通过控制变量泵/马达摆角，进行液压储能装置能量控制，快速调节输出功率进一步稳定至功率给定值。同时通过风轮动能储存释放调节进入液压储能装置的功率，可以减小外加液压储能装置所需容量，大大降低所需成本。系统能量过高时，控制比例节流阀阀口开度与桨距角，减少系统能量输入，保证系统安全运行。本发明通过四变量协调控制解决系统功率控制问题，提高能量利用率，降低功率控制成本。

Description

液压型风电机组功率主动控制系统及其主动控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于联合储能的液压型风电机组功率主动控制系统及其主动控制方法。
背景技术
随着环境和能源问题的日益加剧，风力发电越来越受到国内外的关注，风力发电产业也因此迅速发展。然而受自然条件的影响，风力发电输出功率具有间歇性和随机性的特点。风电出力的不确定性会对电力系统的安全运行造成巨大的冲击，电网必须面对大规模的风电渗透和不断提高的电网运行水平的考验。为了减小输出功率波动，提高电能质量，同时维持风电系统安全平稳运行，需要实现对输出功率的主动与平滑控制。
储能式液压型风电机组依靠调节风轮动能和液压储能子系统液压能的储存和释放实现对输出功率的平滑控制与对应风速下功率的主动控制。对于风电系统输出功率有如下基本要求：风电场具有功功率调节能力，并能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。对于风电系统输出功率输出波动范围有如下要求：风电场装机容量小于30MW时，10分钟功率最大变化量为20MW，1分钟功率最大变化量为6MW；风电场装机容量大于30MW小于150MW时，10分钟功率最大变化量为装机容量/1.5MW，1分钟功率最大变化量为装机容量/5MW；风电场装机容量大于150MW时，10分钟功率最大变化量为100MW，1分钟功率最大变化量为30MW。
基于联合储能的液压型风电机组通过调节风轮动能与液压储能装置的液压能的储存于释放，实现输出功率的主动与平滑控制，即在一定的风速作用下，系统都可快速调节输出功率至功率给定值，同时尽可能平滑由风速波动引起的功率波动，保证输出的电能质量。与单独依靠外加的液压储能装置实现功率控制相比，联合风机自身风轮储能，可以大大降低外加储存设备的安装和维护成本。
中国专利CN110805521A中提出一种储能式液压型风电机组调频控制系统及控制方法。在负荷波动导致电网频率波动时，通过控制桨距角、变量马达摆角、变量泵/马达摆角对输出的有功功率进行控制，进而对发电机输出的频率进行控制。但该方法并没有考虑变化风速下功率的主动控制问题与波动风速引起的波动功率平滑控制问题。同时以液压储能装置优先进行控制将大大增加了功率控制所需成本。另外，在风速增大，能量过高需要耗散多余能量时，桨距角控制变量响应较慢，系统运行安全存在隐患。
综上所述，现有的风速变化时液压型风电机组功率控制方法鲜见，并且控制效果与技术缺陷有待加强和提高。因此，亟需提供一种新型的液压型风电机组功率控制方法。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的目的在于通过调节节流阀阀口开度、变量马达摆角、变量泵/马达摆角和桨距角这四个调节变量的储能式液压型风电机组功率控制系统及其方法，用于风电机组功率主动控制。
为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明的一方面提供一种液压型风电机组功率主动控制系统，其包括风力机、液压传动装置、液压储能装置、发电装置及功率控制器；其中，
所述风力机包括风轮、第一连接轴以及变桨距装置，所述风轮设置在所述第一连接轴的第一端；所述变桨距装置包括内齿圈、小齿轮、液压马达、比例换向阀、第二溢流阀、变量泵以及第一油箱，所述液压马达通过输出轴连接所述小齿轮，所述小齿轮设置在所述内齿圈中并与所述内齿圈的内周缘相互啮合，所述变量泵通过所述比例换向阀向所述液压马达供油，所述变量泵还分别与所述第二溢流阀和所述第一油箱相连通；
所述液压传动装置包括设置在所述第一连接轴的第二端的定量泵、通过高压管路和低压管路与所述定量泵相连通的变量马达，所述变量马达的吸油口与所述高压管路相连，所述变量马达的排油口与所述低压管路相连，所述变量马达通过第二连接轴与液压储能装置相连；在所述高压管路和所述低压管路之间设有依次相连的第一单向阀和第二单向阀；在所述定量泵与所述变量马达之间的所述高压管路上还设有比例节流阀；
所述液压储能装置包括通过所述第二连接轴与所述变量马达相连接的变量泵/马达，所述变量泵/马达的第一端与油箱相连，所述变量泵/马达的第二端分别与气囊式蓄能器和活塞式蓄能器相连接，而所述活塞式蓄能器与氮气瓶组相连接；
所述发电装置的发电机和电网通过第三连接轴与所述变量泵/马达的第三端依次相连接；以及
所述功率控制器的输入端分别连接多个传感器；所述功率控制器的输出端分别连接所述比例节流阀、所述变量马达、所述变量泵/马达和所述变桨距装置的比例换向阀。
可优选的是，所述多个传感器包括在连接风力机与液压传动装置的第一连接轴上安装第一转速转矩传感器，在连接变量马达与变量泵/马达的第二连接轴上安装第二转速转矩传感器，在连接变量泵/马达与发电机的第三连接轴上安装第三转矩转速传感器；风轮附近安装风速传感器；定量泵的进油口从低压管路中吸油，定量泵的压油口通过高压管路输出高压油，并在高压管路上布置流量传感器；安全阀跨接在高压管路和低压管路之间；在高压管路上安装比例节流阀、第一压力传感器和第二压力传感器，其中第一压力传感器与比例节流阀的进油口相连，第二压力传感器与比例节流阀的出油口相连；变量马达的吸油口与高压管路相连，变量马达的排油口与低压管路相连。
可优选的是，还设有补油泵，所述补油泵的吸油口与补油油箱相连，所述补油泵的压油口分别连接第一单向阀的第二端和第二单向阀的第一端，其中第一单向阀的第一端连接到高压管路，第二单向阀的第二端连接到低压管路。
可优选的是，在所述第一单向阀和所述第二单向阀之间设置第一溢流阀，所述第一溢流阀跨接在补油泵的压油口与补油油箱之间。
可优选的是，所述风力机与所述液压传动装置通过第一连接轴同轴刚性连接，所述液压传动装置与液压储能装置通过第二连接轴同轴刚性连接，液压储能装置与发电装置通过第三连接轴同轴刚性连接。
本发明的第二方面，提供一种液压型风电机组功率主动控制系统的主动控制方法，所述方法包括以下步骤：
首先，通过功率控制器控制风轮的动能的储存和释放；功率控制器通过风速传感器采集当前风速，通过第一转速转矩传感器采集定量泵的转速，计算变量马达的输出功率给定；其次，通过第二转矩转速传感器采集变量马达的转速与变量马达的输出转矩，计算变量马达的实际输出功率；然后，功率控制器通过自抗扰控制方法输出功率控制信号到变量马达，实现对变量马达的摆角控制，改变风轮的动能，控制变量马达的输出功率到功率给定值的范围内，所述风轮的动能通过改进的自抗扰控制方法控制变量马达的摆角，液压储能装置的能量储存与释放通过PID误差反馈控制方法控制变量泵/马达的摆角，进行实时控制；
其中自抗扰控制方法对风轮动能进行控制的具体方法如下：
建立液压系统转速模型，获得液压泵转速对变量马达的摆角的传递函数：
Figure BDA0002636659470000041
其中，
Figure BDA0002636659470000042
建立液压传动装置的功率输出模型，将系统在工作点(ph0,γ0)线性展开并取增量：
Figure BDA0002636659470000051
式中，ωp为定量泵转速rad/s；γ变量马达摆角0-1；Km变量马达排量梯度m3/rad；ωm0变量马达并网后转速1500r/min；Dp定量泵排量m3/rad；βe油液体积弹性模量Pa；Jp定量泵转动惯量kg·m2；V0高压管路总容积m3；Ct总的泄漏系数；Bp泵侧粘性阻尼系数N/m/s；Ph变量马达输出功率W；ph0高压管路初始压力Pa；γh0变量马达初始摆角；s为复数；ωhp为液压综合刚度；ξhp为液压综合阻尼比；
将液压传动装置表示为如下形式：
Figure BDA0002636659470000052
其中，
Figure BDA0002636659470000053
Figure BDA0002636659470000054
Figure BDA0002636659470000055
Figure BDA0002636659470000056
b3＝Kmωm0ph0
式中，a0为功率输出系数；a1为输出功率一阶导数系数；a2为输出功率二阶导数系数；b为控制输入系数；b1为控制输入一阶导数系数；b2为控制输入二阶导数系数；b3为控制输入三阶导数系数；u为控制输入；
Figure BDA0002636659470000057
为控制输入一阶导数；
Figure BDA0002636659470000058
为控制输入二阶导数；
Figure BDA0002636659470000059
为控制输入三阶导数；y为输出功率；
Figure BDA0002636659470000061
为输出功率一阶导数；
Figure BDA0002636659470000062
为输出功率二阶导数；
Figure BDA0002636659470000063
为输出功率三阶导数；
通过建立液压传动装置的功率输出模型，并建立四阶扩张状态观测器：
Figure BDA0002636659470000064
建立变量马达输出功率反馈控制率：
Figure BDA0002636659470000065
其中，x1为变量马达输出功率状态变量，
Figure BDA0002636659470000066
为观测变量，L＝[l1l2 l3 l4]T为观测增益，b0为协调参数，随观测增益变化而变化，K＝[k1 k2 k3]T为控制增益。
进一步地，所述自抗扰控制方法包括带宽配置参数整定方法，采用线性二次调节器进行参数整定，将液压传动装置、四阶扩张状态观测器、反馈控制率整合为一个扩展系统：
Figure BDA0002636659470000067
其中，n7＝-b3，n6＝-b3l1-b2，n5＝-b3l2-b2l1-b1，n4＝-b3l3-b2l2-b1l1-b，
n3＝-b3l4-b2l3-b1l2-bl1，n2＝-b2l4-b1l3-bl2，n1＝-b1l4-bl3，n0＝-bl4，m7＝b0，
m6＝b0l1+b0a2-b3l4，m5＝b0a1+b0l2+b0a2l1-b2l4，m4＝b0l3+b0a2l2+b0a1l1+b0a0-b1l4，
m3＝b0a2l3+b0a1l2+b0a0l1-bl4，m2＝b0a1l3+b0a0l2，m1＝b0a0l3，m0＝0
其中，Y为扩展系统输出；V为扩展系统输入；n7为扩展系统分子七阶系数；n6为扩展系统分子六阶系数；n5为扩展系统分子五阶系数；n4为扩展系统分子四阶系数；n3为扩展系统分子三阶系数；n2为扩展系统分子二阶系数；n1为扩展系统分子一阶系数；n0为扩展系统分子零阶系数；m7为扩展系统分母七阶系数；m6为扩展系统分母六阶系数；m5为扩展系统分母五阶系数；m4为扩展系统分母四阶系数；m3为扩展系统分母三阶系数；m2为扩展系统分母二阶系数；m1为扩展系统分母一阶系数；m0为扩展系统分母零阶系数；
将上式化简为：
Figure BDA0002636659470000071
再化为状态方程的可控形式：
Figure BDA0002636659470000072
其中，x1为状态变量一；x2为状态变量二；x3为状态变量三；
其中：
Figure BDA0002636659470000073
其中，h0为输出控制系数；h1为状态控制系数一；h2为状态控制系数二；h3为状态控制系数三；
通过使用线性二次调节器，对上式表示的扩展系统的增益进行确定；
当用线性二次调节器方法得到增益K时，输入变量u0t为：
u0(t)＝Kx(t)
其中，u0为中间控制量；x(t)为状态变量；
选取如下形式的评价函数：
Figure BDA0002636659470000074
其中，T为转置；
Figure BDA0002636659470000075
为积分；Q为正定对称矩阵；R为一个正整数；
使评价函数J最小的线性二次调节器反馈增益K为：
Figure BDA0002636659470000081
通过求解上式使评价函数J最小的线性二次调节器反馈增益K，实现自抗扰控制参数的整定。
进一步地，当变量马达的给定功率控制信号低于变量马达的实际输出功率时，风轮加速，储存多余能量，降低输出功率；当变量马达的给定功率控制信号高于变量马达的实际输出功率时，风轮减速，释放动能，提高输出功率。
进一步地，当功率控制器的给定功率控制信号低于变量泵/马达输出功率时，变量泵/马达用作泵，实现能量的储存，降低输出功率；当功率控制器的给定功率控制信号高于变量泵/马达输出功率时，变量泵/马达用作马达，实现能量的释放，提高输出功率，从而控制功率到给定值。
进一步地，当系统能量过高，风轮的转速或液压储能装置的吸收能量达到饱和时，功率控制器通过第一压力传感器采集比例节流阀的入口压力，通过第二压力传感器采集比例节流阀的出口处压力；然后功率控制器输出控制信号到比例节流阀，实现对比例节流阀的开度控制；同时，功率控制器通过角位移传感器采集桨距角，然后功率控制器输出控制信号到比例换向阀，实现对桨距角的控制。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明的液压型风电机组功率主动控制系统中有四个控制变量，分别为变量马达摆角、变量泵/马达摆角、比例节流阀阀口开度、变桨距装置桨距角。首先通过调节变量马达摆角，控制风轮转速变化，控制风轮动能储存和释放，节约能量的同时，使机组输出功率稳定到功率给定值。同时，通过调节变量泵/马达摆角，实现蓄能器对液压能的储存和释放，节约了能量的同时，最快速度地将输出功率稳定到功率给定值附近。当系统能量过高，通过调节比例节流阀开度，对系统能量进行以热能形式耗散，灵活快速，保证系统安全。同时，调节变桨距装置桨距角，从能量源头减少系统能量输入。四变量协调控制的过程中，即保证了系统响应的快速性，又保证了控制的精度和系统运行的安全。
2、本发明中引入液压储能装置在功率控制中，且在功率控制过程中，正常工况下桨距角与节流阀不参与功率的控制，只有在能量过高时，参与能量消耗，保证系统安全。因此，大大提高了能量利用率，达到了节能的目的，另一方面还提高了机组的工作效率和环境适应性。
3、本发明的控制方法控制变量马达摆角，通过对风轮动能的改变，实现对输入液压储能装置的功率控制。再通过控制液压储能装置，进行小范围内的输出功率快速调节。风轮是系统本身存在的储能装置，而液压储能装置是外部加入的储能装置。以风轮储能为主，液压储能为辅，提高了系统能量利用率的同时，可以很大程度减小所需液压储能装置的容量，大大降低功率控制所需成本，具有良好的经济效益。
附图说明
图1表示本发明液压型风电机组功率主动控制系统的结构示意图；
图2表示本发明图1中显示出调节变量的结构示意图；
图3表示本发明的能量调控示意图；
图4表示本发明液压型风电机组功率主动控制系统的功率控制流程图；
图5表示本发明的风轮储能控制框图；
图6表示经风轮储能调控后输入液压储能装置的功率仿真图；
图7表示经风轮储能调控后液压储能装置输出的功率仿真图；
图8表示经风轮储能调控后液压储能装置补偿的功率仿真图；
图9表示未经风轮储能调控后输入液压储能装置的功率仿真图；
图10表示未经风轮储能调控后液压储能装置输出的功率仿真图；以及
图11表示未经风轮储能调控后液压储能装置补偿的功率仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的基于联合储能的液压型风电机组功率的主动控制系统包括风力机、液压传动装置、液压储能装置以及发电部分。
如图1所示，风力机包括风轮2、第一连接轴3、风速传感器1以及变桨距装置，风轮2设置在第一连接轴3的第一端，风速传感器1设置在靠近风轮2的位置处。变桨距装置包括角位移传感器32、内齿圈33、小齿轮34、液压马达35、比例换向阀36、第二溢流阀37、变量泵38以及第一油箱39，液压马达35通过输出轴连接小齿轮34，小齿轮34设置在内齿圈33中并与内齿圈33的内周缘相互啮合，变量泵38通过比例换向阀36向液压马达35供油，变量泵还分别与第二溢流阀37和第一油箱39相连通。
液压传动装置包括第一转速转矩传感器4、设置在第一连接轴3的第二端的定量泵5、通过高压管路6和低压管路28与定量泵5相连通的变量马达15，变量马达15通过第二连接轴16与液压储能装置相连并且变量马达15上还设有第二转速转矩传感器17；在高压管路6和低压管路28之间设有依次相连的第一单向阀7和第二单向阀8以及在第一单向阀7和第二单向阀8之间设置的第一溢流阀9、补油泵10和补油油箱11；在高压管路6和低压管路28之间并联地设有安全阀12和流量传感器13；在定量泵5与变量马达15之间的高压管路6上还设有比例节流阀29，在比例节流阀29的两端设有第一压力传感器30和第二压力传感器31。
液压储能装置包括通过第二连接轴16与变量马达15相连接的变量泵/马达19，变量泵/马达19的第一端与油箱18相连，变量泵/马达19的第二端分别与气囊式蓄能器20和活塞式蓄能器21相连接，而活塞式蓄能器21与氮气瓶组22相连接。
发电装置的发电机25和电网27通过第三连接轴23与变量泵/马达19的第三端依次相连接，其中第三连接轴23上设有第三转速转矩传感器24，发电装置的电网27还设有多功能仪表26。
风力机与液压传动装置通过第一连接轴3同轴刚性连接，液压传动装置与液压储能装置通过第二连接轴16同轴刚性连接，液压储能装置与发电装置通过第三连接轴23同轴刚性连接。
如图2所示，本发明的主动控制系统中设有多个传感器：在连接风力机与液压传动装置的第一连接轴3上安装第一转速转矩传感器4，在连接变量马达15与变量泵/马达19的第二连接轴16上安装第二转速转矩传感器17，在连接变量泵/马达19与发电机25的第三连接轴23上安装第三转矩转速传感器24；风轮2附近安装风速传感器1；定量泵5的进油口从低压管路28中吸油，定量泵5的压油口通过高压管路6输出高压油，并在高压管路6上布置流量传感器13；安全阀12跨接在高压管路5和低压管路28之间；在高压管路6上安装比例节流阀29、第一压力传感器30和第二压力传感器31，其中第一压力传感器30与比例节流阀29的进油口相连，第二压力传感器31与比例节流阀29的出油口相连；变量马达15的吸油口与高压管路6相连，变量马达15的排油口与低压管路28相连。
变量马达15和变量泵/马达19同轴相连，变量泵/马达19的吸油口与油箱18相连，变量泵/马达19的排油口与气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22分别连接。变量泵/马达19通过第三连接轴23驱动发电机25转动进而发电，输入电能到电网27，在发电机25与电网27之间安装多功能仪表26以便实现电网的动态监控。
补油泵10的吸油口与补油油箱11相连，补油泵10的压油口分别连接第一单向阀7的第二端和第二单向阀8的第一端，其中第一单向阀7的第一端连接到高压管路6，第二单向阀8的第二端连接到低压管路28。而溢流阀9跨接在补油泵10的压油口与补油油箱11之间。
本发明的一个创新点在于，主动控制系统中设有具有主动控制功能的功率控制器14。功率控制器14的输入端分别连接第一转速转矩传感器4、第二转速转矩传感器16、第三转速转矩传感器24、多功能仪表26、风速传感器1、流量传感器13、第一压力传感器30、第二压力传感器31、角位移传感器32；功率控制器14的输出端分别连接比例节流阀29、变量马达15、变量泵/马达19、变桨距装置的比例换向阀36。
本发明的第二方面提供一种基于联合储能的液压型风电机组功率主动控制方法，具体控制过程如图3、图4和图5所示：
风轮2的动能通过改进的自抗扰控制方法控制变量马达15的摆角，液压储能装置的能量储存与释放通过PID误差反馈控制方法控制变量泵/马达19的摆角，进行实时控制。
自抗扰控制方法对风轮动能进行控制的具体方法如下：
建立液压系统转速模型，获得液压泵转速对变量马达15的摆角的传递函数：
Figure BDA0002636659470000121
其中，
Figure BDA0002636659470000122
建立液压传动装置的功率输出模型，将系统在工作点(ph0,γ0)线性展开，取增量并忽略高阶无穷小量有：
Figure BDA0002636659470000123
式中，ωp为定量泵转速rad/s；γ变量马达摆角0-1；Km变量马达排量梯度m3/rad；ωm0变量马达并网后转速1500r/min；Dp定量泵排量m3/rad；βe油液体积弹性模量Pa；Jp定量泵转动惯量kg·m2；V0高压管路总容积m3；Ct总的泄漏系数；Bp泵侧粘性阻尼系数N/m/s；Ph变量马达输出功率W；ph0高压管路初始压力Pa；γh0变量马达初始摆角；s为复数；ωhp为液压综合刚度；ξhp为液压综合阻尼比；
将液压传动装置表示为如下形式：
Figure BDA0002636659470000131
其中，
Figure BDA0002636659470000132
Figure BDA0002636659470000133
Figure BDA0002636659470000134
Figure BDA0002636659470000135
b3＝Kmωm0ph0
式中，a0为功率输出系数；a1为输出功率一阶导数系数；a2为输出功率二阶导数系数；b为控制输入系数；b1为控制输入一阶导数系数；b2为控制输入二阶导数系数；b3为控制输入三阶导数系数；u为控制输入；
Figure BDA0002636659470000136
为控制输入一阶导数；
Figure BDA0002636659470000137
为控制输入二阶导数；
Figure BDA0002636659470000138
为控制输入三阶导数；y为输出功率；
Figure BDA0002636659470000139
为输出功率一阶导数；
Figure BDA00026366594700001310
为输出功率二阶导数；
Figure BDA00026366594700001311
为输出功率三阶导数；
通过建立液压传动装置的功率输出模型，并建立四阶扩张状态观测器：
Figure BDA00026366594700001312
建立反馈控制率：
Figure BDA00026366594700001313
其中，x1为变量马达输出功率状态变量，
Figure BDA00026366594700001314
为观测变量，L＝[l1l2 l3 l4]T为观测增益。b0为协调参数，随观测增益变化而变化。K＝[k1 k2 k3]T为控制增益。
由于传统的自抗扰控制方法的带宽配置参数整定方法难于稳定非最小相位系统，因此采用线性二次调节器进行参数整定，将液压传动装置、四阶扩张状态观测器、反馈控制率整合为一个扩展系统：
Figure BDA0002636659470000141
其中，n7＝-b3，n6＝-b3l1-b2，n5＝-b3l2-b2l1-b1，n4＝-b3l3-b2l2-b1l1-b，
n3＝-b3l4-b2l3-b1l2-bl1，n2＝-b2l4-b1l3-bl2，n1＝-b1l4-bl3，n0＝-bl4，m7＝b0，
m6＝b0l1+b0a2-b3l4，m5＝b0a1+b0l2+b0a2l1-b2l4，m4＝b0l3+b0a2l2+b0a1l1+b0a0-b1l4，
m3＝b0a2l3+b0a1l2+b0a0l1-bl4，m2＝b0a1l3+b0a0l2，m1＝b0a0l3，m0＝0
其中，Y为扩展系统输出；V为扩展系统输入；n7为扩展系统分子七阶系数；n6为扩展系统分子六阶系数；n5为扩展系统分子五阶系数；n4为扩展系统分子四阶系数；n3为扩展系统分子三阶系数；n2为扩展系统分子二阶系数；n1为扩展系统分子一阶系数；n0为扩展系统分子零阶系数；m7为扩展系统分母七阶系数；m6为扩展系统分母六阶系数；m5为扩展系统分母五阶系数；m4为扩展系统分母四阶系数；m3为扩展系统分母三阶系数；m2为扩展系统分母二阶系数；m1为扩展系统分母一阶系数；m0为扩展系统分母零阶系数；
将上式化简为：
Figure BDA0002636659470000142
再化为状态方程的可控形式：
Figure BDA0002636659470000151
其中，x1为状态变量一；x2为状态变量二；x3为状态变量三；
其中：
Figure BDA0002636659470000152
其中，h0为输出控制系数；h1为状态控制系数一；h2为状态控制系数二；h3为状态控制系数三；
通过使用线性二次调节器，对上式表示的扩展系统的增益进行确定。
当用线性二次调节器方法得到增益K时，输入变量u0t为：
u0(t)＝Kx(t)
其中，u0为中间控制量；x(t)为状态变量；
选取如下形式的评价函数：
Figure BDA0002636659470000153
其中，T为转置；
Figure BDA0002636659470000154
为积分；Q为正定对称矩阵；R为一个正整数；
使评价函数J最小的线性二次调节器反馈增益K为：
Figure BDA0002636659470000155
通过求解上式K，实现自抗扰控制参数的整定。
当对液压型风力发电机组功率进行主动控制时，首先通过功率控制器14控制风轮2的动能的储存和释放；功率控制器14通过风速传感器1采集当前风速，通过第一转速转矩传感器4采集定量泵5的转速，计算变量马达15的输出功率给定；通过第二转矩转速传感器17采集变量马达15的转速与变量马达1的5输出转矩，计算变量马达15的实际输出功率。然后功率控制器14通过自抗扰控制方法输出功率控制信号到变量马达15，实现对变量马达15的摆角控制，改变风轮2的动能，控制变量马达15的输出功率到功率给定值的范围内。
由于本发明是建立在风轮2的动能和液压储能基础上的，当变量马达15的给定功率控制信号低于变量马达15的实际输出功率时，风轮2加速，储存多余能量，降低输出功率。当变量马达15的给定功率控制信号高于变量马达15的实际输出功率时，风轮2减速，释放动能，提高输出功率。
风轮2惯性较大，响应较慢，为提高功率控制效果，液压储能装置加入控制。功率控制器14通过第三转速转矩传感器24采集变量泵/马达19的转速与变量泵/马达19的转矩，计算变量泵/马达19实际输出功率，然后功率控制器14通过PID控制方法输出功率控制信号到变量泵/马达19，实现对变量泵/马达19的摆角控制，以此来切换变量泵/马达19的工况和改变变量泵/马达19的排量。
当功率控制器14的给定功率控制信号低于变量泵/马达19输出功率时，变量泵/马达19用作泵，实现能量的储存，降低输出功率；当功率控制器14的给定功率控制信号高于变量泵/马达19输出功率时，变量泵/马达19用作马达，实现能量的释放，提高输出功率，从而控制功率到给定值。
能量经过风轮2的动能调控后输入到液压储能装置，可以减轻液压储能装置的工作负担，液压储能装置只需补偿很小一部分能量即可完成能量调控目标，很大程度减小液压储能装置所需体积，大大降低所需成本。
当输出功率低于给定时，功率控制器14的输出控制信号控制比例节流阀29的阀口全开，降低能量耗散，输出控制信号到比例换向阀36，调整桨距角为零，最大程度吸收风功率。
当系统能量过高，风轮2的转速或液压储能装置的吸收能量达到饱和时，功率控制器14通过第一压力传感器30采集比例节流阀29的入口压力，通过第二压力传感器31采集比例节流阀29的出口处压力。然后功率控制器14输出控制信号到比例节流阀29，实现对比例节流阀29的开度控制，对系统中多余能量以热能的形式进行耗散，以保证系统工作安全。同时，功率控制器14通过角位移传感器32采集桨距角，然后功率控制器14输出控制信号到比例换向阀36，实现对桨距角的控制，从源头减少能量的输入，保证系统工作安全。
控制效果如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，从图中可以看出，经过风轮2的储能调控后的能量再传递给液压储能装置调控，液压储能装置需要补偿平均200W，而没有风轮2的储能调控直接由液压储能装置调控时，液压储能装置需要平均补偿2000W。所以由风轮2进行储能调控后可以明显减轻液压储能装置的工作负担，减小液压储能装置所需体积，大大降低所需成本。
本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种液压型风电机组功率主动控制系统，其包括风力机、液压传动装置、液压储能装置、发电装置及功率控制器；其特征在于：
所述风力机包括风轮、第一连接轴以及变桨距装置，所述风轮设置在所述第一连接轴的第一端；所述变桨距装置包括内齿圈、小齿轮、液压马达、比例换向阀、第二溢流阀、变量泵以及第一油箱，所述液压马达通过输出轴连接所述小齿轮，所述小齿轮设置在所述内齿圈中并与所述内齿圈的内周缘相互啮合，所述变量泵通过所述比例换向阀向所述液压马达供油，所述变量泵还分别与所述第二溢流阀和所述第一油箱相连通；
所述液压传动装置包括设置在所述第一连接轴的第二端的定量泵、通过高压管路和低压管路与所述定量泵相连通的变量马达，所述变量马达的吸油口与所述高压管路相连，所述变量马达的排油口与所述低压管路相连，所述变量马达通过第二连接轴与液压储能装置相连；在所述高压管路和所述低压管路之间设有依次相连的第一单向阀和第二单向阀；在所述定量泵与所述变量马达之间的所述高压管路上还设有比例节流阀；
所述液压储能装置包括通过所述第二连接轴与所述变量马达相连接的变量泵/马达，所述变量泵/马达的第一端与油箱相连，所述变量泵/马达的第二端分别与气囊式蓄能器和活塞式蓄能器相连接，而所述活塞式蓄能器与氮气瓶组相连接；
所述发电装置的发电机和电网通过第三连接轴与所述变量泵/马达的第三端依次相连接；以及
所述功率控制器的输入端分别连接多个传感器；所述功率控制器的输出端分别连接所述比例节流阀、所述变量马达、所述变量泵/马达和所述变桨距装置的比例换向阀；所述多个传感器包括在连接风力机与液压传动装置的第一连接轴上安装第一转速转矩传感器，在连接变量马达与变量泵/马达的第二连接轴上安装第二转速转矩传感器，在连接变量泵/马达与发电机的第三连接轴上安装第三转矩转速传感器；风轮附近安装风速传感器；定量泵的进油口从低压管路中吸油，定量泵的压油口通过高压管路输出高压油，并在高压管路上布置流量传感器；在高压管路上安装比例节流阀、第一压力传感器和第二压力传感器，其中第一压力传感器与比例节流阀的进油口相连，第二压力传感器与比例节流阀的出油口相连；变量马达的吸油口与高压管路相连，变量马达的排油口与低压管路相连；
通过功率控制器控制风轮的动能的储存和释放；功率控制器通过风速传感器采集当前风速，通过第一转速转矩传感器采集定量泵的转速，计算变量马达的输出功率给定；通过第二转矩转速传感器采集变量马达的转速与变量马达的输出转矩，计算变量马达的实际输出功率；
当变量马达的给定功率控制信号低于变量马达的实际输出功率时，风轮加速，储存多余能量，降低输出功率；当变量马达的给定功率控制信号高于变量马达的实际输出功率时，风轮减速，释放动能，提高输出功率；
功率控制器通过第三转速转矩传感器采集变量泵/马达的转速与变量泵/马达的转矩，计算变量泵/马达实际输出功率；
当功率控制器的给定功率控制信号低于变量泵/马达输出功率时，变量泵/马达用作泵，实现能量的储存，降低输出功率；当功率控制器的给定功率控制信号高于变量泵/马达输出功率时，变量泵/马达用作马达，实现能量的释放，提高输出功率，从而控制功率到给定值；
当输出功率低于给定时，功率控制器的输出控制信号控制比例节流阀的阀口全开，降低能量耗散，输出控制信号到比例换向阀，调整桨距角为零，最大程度吸收风功率；
当系统能量过高，风轮的转速或液压储能装置的吸收能量达到饱和时，功率控制器通过第一压力传感器采集比例节流阀的入口压力，通过第二压力传感器采集比例节流阀的出口处压力；然后功率控制器输出控制信号到比例节流阀，实现对比例节流阀的开度控制；同时，功率控制器通过角位移传感器采集桨距角，然后功率控制器输出控制信号到比例换向阀，实现对桨距角的控制。
2.根据权利要求1所述液压型风电机组功率主动控制系统，其特征在于：安全阀跨接在高压管路和低压管路之间。
3.根据权利要求1所述的液压型风电机组功率主动控制系统，其特征在于：还设有补油泵，所述补油泵的吸油口与补油油箱相连，所述补油泵的压油口分别连接第一单向阀的第二端和第二单向阀的第一端，其中第一单向阀的第一端连接到高压管路，第二单向阀的第二端连接到低压管路。
4.根据权利要求3所述的液压型风电机组功率主动控制系统，其特征在于：在所述第一单向阀和所述第二单向阀之间设置第一溢流阀，所述第一溢流阀跨接在补油泵的压油口与补油油箱之间。
5.根据权利要求1所述的液压型风电机组功率主动控制系统，其特征在于：所述风力机与所述液压传动装置通过第一连接轴同轴刚性连接，所述液压传动装置与液压储能装置通过第二连接轴同轴刚性连接，液压储能装置与发电装置通过第三连接轴同轴刚性连接。
6.一种根据权利要求1-5之一所述液压型风电机组功率主动控制系统的主动控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
首先，通过功率控制器控制风轮的动能的储存和释放；功率控制器通过风速传感器采集当前风速，通过第一转速转矩传感器采集定量泵的转速，计算变量马达的输出功率给定；其次，通过第二转矩转速传感器采集变量马达的转速与变量马达的输出转矩，计算变量马达的实际输出功率；然后，功率控制器通过自抗扰控制方法输出功率控制信号到变量马达，实现对变量马达的摆角控制，改变风轮的动能，控制变量马达的输出功率到功率给定值的范围内，所述风轮的动能通过改进的自抗扰控制方法控制变量马达的摆角，液压储能装置的能量储存与释放通过PID误差反馈控制方法控制变量泵/马达的摆角，进行实时控制；
其中自抗扰控制方法对风轮动能进行控制的具体方法如下：
建立液压系统转速模型，获得液压泵转速对变量马达的摆角的传递函数：
Figure FDF0000018306710000041
其中，
Figure FDF0000018306710000042
建立液压传动装置的功率输出模型，将系统在工作点(ph0,γ0)线性展开并取增量：
Figure FDF0000018306710000043
式中，ωp为定量泵转速rad/s；γ变量马达摆角0-1；Km变量马达排量梯度m3/rad；ωm0变量马达并网后转速1500r/min；Dp定量泵排量m3/rad；βe油液体积弹性模量Pa；Jp定量泵转动惯量kg·m2；V0高压管路总容积m3；Ct总的泄漏系数；Bp泵侧粘性阻尼系数N/m/s；Ph变量马达输出功率W；ph0高压管路初始压力Pa；γh0变量马达初始摆角；s为复数；ωhp为液压综合刚度；ξhp为液压综合阻尼比；
将液压传动装置表示为如下形式：
Figure FDF0000018306710000051
其中，
Figure FDF0000018306710000052
Figure FDF0000018306710000053
Figure FDF0000018306710000054
Figure FDF0000018306710000055
b3＝Kmωm0ph0
式中，a0为功率输出系数；a1为输出功率一阶导数系数；a2为输出功率二阶导数系数；b为控制输入系数；b1为控制输入一阶导数系数；b2为控制输入二阶导数系数；b3为控制输入三阶导数系数；u为控制输入；
Figure FDF0000018306710000056
为控制输入一阶导数；
Figure FDF0000018306710000057
为控制输入二阶导数；
Figure FDF0000018306710000058
为控制输入三阶导数；y为输出功率；
Figure FDF0000018306710000059
为输出功率一阶导数；
Figure FDF00000183067100000510
为输出功率二阶导数；
Figure FDF00000183067100000511
为输出功率三阶导数；
通过建立液压传动装置的功率输出模型，并建立四阶扩张状态观测器：
Figure FDF0000018306710000061
建立变量马达输出功率反馈控制率：
Figure FDF0000018306710000062
其中，x1为变量马达输出功率状态变量，
Figure FDF0000018306710000063
为观测变量，L＝[l1 l2 l3l4]T为观测增益，b0为协调参数，随观测增益变化而变化，K＝[k1 k2 k3]T为控制增益。
7.根据权利要求6所述的主动功率控制方法，其特征在于：所述自抗扰控制方法包括带宽配置参数整定方法，采用线性二次调节器进行参数整定，将液压传动装置、四阶扩张状态观测器、反馈控制率整合为一个扩展系统：
Figure FDF0000018306710000064
其中，n7＝-b3，n6＝-b3l1-b2，n5＝-b3l2-b2l1-b1，n4＝-b3l3-b2l2-b1l1-b，n3＝-b3l4-b2l3-b1l2-bl1，n2＝-b2l4-b1l3-bl2，n1＝-b1l4-bl3，n0＝-bl4，m7＝b0，m6＝b0l1+b0a2-b3l4，m5＝b0a1+b0l2+b0a2l1-b2l4，m4＝b0l3+b0a2l2+b0a1l1+b0a0-b1l4，m3＝b0a2l3+b0a1l2+b0a0l1-bl4，m2＝b0a1l3+b0a0l2，m1＝b0a0l3，m0＝0
其中，Y为扩展系统输出；V为扩展系统输入；n7为扩展系统分子七阶系数；n6为扩展系统分子六阶系数；n5为扩展系统分子五阶系数；n4为扩展系统分子四阶系数；n3为扩展系统分子三阶系数；n2为扩展系统分子二阶系数；n1为扩展系统分子一阶系数；n0为扩展系统分子零阶系数；m7为扩展系统分母七阶系数；m6为扩展系统分母六阶系数；m5为扩展系统分母五阶系数；m4为扩展系统分母四阶系数；m3为扩展系统分母三阶系数；m2为扩展系统分母二阶系数；m1为扩展系统分母一阶系数；m0为扩展系统分母零阶系数；
将上式化简为：
Figure FDF0000018306710000071
再化为状态方程的可控形式：
Figure FDF0000018306710000072
其中，x1为状态变量一；x2为状态变量二；x3为状态变量三；
其中：
Figure FDF0000018306710000073
其中，h0为输出控制系数；h1为状态控制系数一；h2为状态控制系数二；h3为状态控制系数三；
通过使用线性二次调节器，对上式表示的扩展系统的增益进行确定；
当用线性二次调节器得到增益K时，输入变量u0t为：
u0(t)＝Kx(t)
其中，u0为中间控制量；x(t)为状态变量；
选取如下形式的评价函数：
Figure FDF0000018306710000081
其中，T为转置；
Figure FDF0000018306710000082
为积分；Q为正定对称矩阵；R为一个正整数；
使评价函数J最小的线性二次调节器反馈增益K为：
Figure FDF0000018306710000083
通过求解使评价函数J最小的线性二次调节器反馈增益K，实现自抗扰控制参数的整定。
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