CN112502900B - 基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法 - Google Patents

基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法，通过采用非线性模型预测阻尼控制策略，增加传动链的阻尼，抑制风电齿轮箱瞬变载荷冲击，同时结合变增益补偿策略，引入梯度估计单元以及补偿增益单元，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，对风电机组载荷波动进行抑制。

Description

基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法
技术领域
本发明涉及一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法。
背景技术
大型风力发电机一般安装在沿海、戈壁、高山区域，运行环境恶劣。特别在海岛、海湾等沿海地区，岸线曲折，岛屿与峡湾众多，受地形、大气洋流影响，风场湍流分布复杂，机群排布欠优，机组间隔尾流影响较大，风机工作模式频繁切换，脱网故障频发。风电齿轮箱存在短时较大瞬变载荷冲击，应力集中区易受损伤，造成风机寿命降低。齿轮箱故障是影响发电机组安全可靠运行的重要瓶颈，也是风电领域的痛点问题。
现有研究中，对机电设备故障与损伤主要采用被动应对的手段，“被动防护”方法是基于故障识别给出维修决策，就风电齿轮箱故障与损伤而言，一旦发生，维修无论多么及时，均会导致停机状态，不可避免地产生经济损失，并对电网系统造成不利影响。因此，在风电齿轮箱未发生损伤前或在轻微损伤时，主动采取措施，避免载荷冲击导致齿轮箱失效，成为风力发电领域的迫切技术需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法，通过采用非线性模型预测阻尼控制策略，增加传动链的阻尼，抑制风电齿轮箱瞬变载荷冲击，同时结合变增益补偿策略，引入梯度估计单元以及补偿增益单元，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，对风电机组载荷波动进行抑制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：确定预测模型：采用失效风险实时预测模型作为非线性阻尼控制(NMPC)控制算法的预测模型，在分析得到风电机组传动链的连续状态空间模型后，采用前向欧拉法，求解离散化状态空间模型，而后求得可得到传动链在未来预测步长的预测值；
步骤2：校正预测误差：通过未来的输出测量值与模型输出预测值进行比较，得出模型的预测误差，以此校正模型的预测值，降低模型参数不确定和模型失配等因素的影响，使阻尼控制策略对传动链状态空间模型参数摄动具有一定的鲁棒性，同时提高了其对瞬变载荷冲击的抑制能力；
步骤3：优化目标函数：采用滚动优化价值函数使控制器达到最优效果并确定未来预测的控制输出，不同于传统的离线优化方法，控制策略在一个采样周内实现在线优化，并重复向前滚动；此外，为避免作为控制输入的电磁转矩产生过大波动，优化函数目标包含了电磁转矩变化率的优化与扭转速度的优化；
步骤4：变增益最优转矩控制：采用梯度估计设计最优转矩补偿器，对经典OTC法给定的转矩值进行补偿，其中，最优转矩补偿器由机械功率估计单元、梯度估计单元以及补偿增益单元组成，通过对经典OTC给定转矩值进行补偿，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值；为了综合利用风轮大惯量特性，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，采用变增益补偿策略对风电机组载荷波动进行抑制。
本发明的有益效果为：通过采用非线性模型预测阻尼控制策略，增加传动链的阻尼，抑制风电齿轮箱瞬变载荷冲击，同时结合变增益补偿策略，引入梯度估计单元以及补偿增益单元，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，对风电机组载荷波动进行抑制。
附图说明
图1是非线性模型预测阻尼控制与变增益最优转矩控制策略的流程图。
图2是非线性模型预测阻尼控制图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1和图2，一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法，由风电机组的动力学特性分析可得，传动链模型为时变系统，基于固定参数的带通滤波器阻尼控制策略无法有效抑制风电齿轮箱的瞬变载荷冲击，而非线性模型预测控制算法对模型参数不确定及摄动失配等具有较强的鲁棒性。因此，如图1所示，采用非线性模型预测阻尼控制与变增益最优转矩控制策略，抑制风电齿轮箱瞬变载荷冲击，具体实现过程为：
步骤1：确定预测模型：采用失效风险实时预测模型作为NMPC控制算法的预测模型，在分析得到风电机组传动链的连续状态空间模型后，采用前向欧拉法，求解离散化状态空间模型，而后求得可得到传动链在未来预测步长的预测值；
步骤2：校正预测误差：通过未来的输出测量值与模型输出预测值进行比较，得出模型的预测误差，以此校正模型的预测值，降低模型参数不确定和模型失配等因素的影响，使阻尼控制策略对传动链状态空间模型参数摄动具有一定的鲁棒性，同时提高了其对瞬变载荷冲击的抑制能力；
步骤3：优化目标函数：采用滚动优化价值函数使控制器达到最优效果并确定未来预测的控制输出，不同于传统的离线优化方法，控制策略在一个采样周内实现在线优化，并重复向前滚动；此外，为避免作为控制输入的电磁转矩产生过大波动，优化函数目标包含了电磁转矩变化率的优化与扭转速度的优化；
步骤4：变增益最优转矩控制，传统的最优转矩控制(OTC)为了实现最大功率捕获跟踪(MPPT)，其动态特性较差，且无法快速过渡暂态工况的缺点。因此，采用梯度估计设计最优转矩补偿器，对经典OTC法给定的转矩值进行补偿；其中，最优转矩补偿器由机械功率估计单元、梯度估计单元以及补偿增益单元组成，通过对经典OTC给定转矩值进行补偿，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值；为了综合利用风轮大惯量特性，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，采用变增益补偿策略对风电机组载荷波动进行抑制。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种基于非线性阻尼控制的风电齿轮箱瞬变载荷主动抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：确定预测模型：采用失效风险实时预测模型作为NMPC控制算法的预测模型，在分析得到风电机组传动链的连续状态空间模型后，采用前向欧拉法，求解离散化状态空间模型，而后求得传动链在未来预测步长的预测值；
步骤2：校正预测误差：通过未来的输出测量值与模型输出预测值进行比较，得出模型的预测误差，以此校正模型的预测值，降低模型参数不确定和模型失配因素的影响，使阻尼控制策略对传动链状态空间模型参数摄动具有一定的鲁棒性，同时提高了其对瞬变载荷冲击的抑制能力；
步骤3：优化目标函数：采用滚动优化价值函数使控制器达到最优效果并确定未来预测的控制输出，不同于传统的离线优化方法，控制策略在一个采样周内实现在线优化，并重复向前滚动；此外，为避免作为控制输入的电磁转矩产生过大波动，优化函数目标包含了电磁转矩变化率的优化与扭转速度的优化；
步骤4：变增益最优转矩控制：采用梯度估计设计最优转矩补偿器，对经典OTC法给定的转矩值进行补偿，其中，最优转矩补偿器由机械功率估计单元、梯度估计单元以及补偿增益单元组成，通过对经典OTC给定转矩值进行补偿，使得发电机转子电流、电磁转矩能快速跟随控制系统给定值；为了综合利用风轮大惯量特性，在高效利用风能的同时避免增加功率波动性，采用变增益补偿策略对风电机组载荷波动进行抑制。
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