CN112879217A - 一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，通过控制器、风力机系统和发电机组成的非线性系统实现，采用发电机电磁转矩和低风速转矩之间的标准差作为转矩跟踪误差，加入双积分作用加速对于转矩的跟踪，以发电机的电磁转矩作为发电机的输出来控制风力机实际的转矩。本发明以发电机的电磁转矩作为发电机的输出来控制风力机实际的转矩，这样可以提高风能捕获效率，并尽可能的降低传动链的载荷问题，减小发电机电磁转矩的波动。

Description

一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法
技术领域
本发明涉及风力机控制领域，特别涉及一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法。
背景技术
近年来，随着高风速的理想风电资源的开发耗尽，拥有巨大风能总量和高利用率的低风速区逐渐成为有力的发展点。然而，高强度的湍流和复杂的风况使得低风速区的转速跟踪效果变差，传动链上的载荷也对发电机的寿命起着至关重要的作用。风力机最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制追求高风能捕获效率，从而获取更多的风能，再转化成电能。低风速风力机MPPT控制有很多种经典控制方法，其中叶尖速比法有着良好的控制效果。
经研究发现，叶尖速比法是通过实时监测风速，计算出响应的叶尖速比最佳转速值，在通过调整发电机转矩来实现调速，使得风力机获取最大风能。但是，该控制方法具有局限性，在实际上的搜索转速与最大风能捕获但存在误差。并且该控制方法取得良好的跟踪效果使得发电机的电磁转矩产生了剧烈的波动，造成较大的传动链载荷，影响风力机的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术存在的问题，本发明提供一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，能够在提高风能捕获效率的同时，有效的降低传动链载荷，减小发电机电磁转矩的波动。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，通过控制器、风力机系统和发电机组成的非线性系统实现，采用发电机电磁转矩和低风速转矩之间的标准差作为转矩跟踪误差，加入双积分作用加速对于转矩的跟踪，以发电机的电磁转矩作为发电机的输出来控制风力机实际的转矩，其中，发电机电磁转矩参考值
Figure BDA0002910786350000011
式中，wg为发电机的转速，kopt为最佳转速时的比例常数，ng为传动比。，式中
Figure BDA0002910786350000012
为最佳叶尖速比，R为风轮的半径，Cpmax为风力机运行时风能利用系数最大值。
最佳叶尖速比
Figure BDA0002910786350000021
式中v为风速，wr为风力机的风轮转速，通过卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取到估计风速v。
根据发电机的电磁转矩和低速轴的转矩，设计风力机控制率，具体步骤为：
步骤A、引入双积分作用，定义转矩跟踪误差e1＝Topt-Tg，e2＝∫(Topt-Tg)dτ，e3＝∫{∫Topt-Tg}dτ；
步骤B、定义滑模面s＝a1e1+a2e2+a3e3，a1、a2、a3是常数。
步骤C、可得控制器的控制率为：
Figure BDA0002910786350000022
设计滑模面：
Figure BDA0002910786350000023
选取李雅普诺夫函数，其步骤为：
Figure BDA0002910786350000024
Figure BDA0002910786350000025
与现有技术相比，本发明的技术效果是：本发明一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，通过控制器、风力机系统和发电机组成的非线性系统实现，采用发电机电
矩和低风速转矩之间的标准差作为转矩跟踪误差，加入双积分作用加速对于转矩的跟磁转踪，以发电机的电磁转矩作为发电机的输出来控制风力机实际的转矩，这样可以提高风能捕获效率，并尽可能的降低传动链的载荷问题，减小发电机电磁转矩的波动。
附图说明
图1是本发明的控制系统框图。
图2是本发明中仿真的风速序列图。
图3是本发明中不同MPPT控制方法在风速时段内的功率跟踪对比图，其中(a)是本文(DISMC)和滑模控制方法(SMC)对于最优功率的功率跟踪对比图，(b)是本文(DISMC)和一阶滑模控制(FOSMC)对于最优功率的功率跟踪对比图。
图4是本发明中不同MPPT控制方法在风速时段为7m/s的转矩对比图，其中(a)是本文(DISMC)和滑模控制方法(SMC)转矩的对比图，(b)是本文(DISMC)和一阶滑模控制(FOSMC)转矩的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明进行详细的说明。
本发明包括以下步骤：
步骤1：获取风轮半径R，最大风能利用系数Cpmax，传动比ng，最佳叶尖速比λopt，环境参数空气密度ρ，发电机电磁转矩Tg以及发电机转子转速wg；
步骤2：根据发电机的电磁转矩Tg、发电机转子转速wg，采用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机的风速v；
步骤3：计算发电机电磁转矩参考值
Figure BDA0002910786350000031
式中，wg为发电机的转速，kopt为最佳转速时的比例常数，ng为传动比；
步骤4：计算出最佳叶尖速比
Figure BDA0002910786350000032
式中v为风速，wr为风力机的风轮转速，通过卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取到估计风速v；
步骤5：计算
Figure BDA0002910786350000033
式中λopt为最佳叶尖速比，R为风轮的半径，Cpmax为风力机运行时风能利用系数最大值；
步骤6：引入积分作用使得控制器对于转矩跟踪的效果更好，定义转矩跟踪误差e1＝Topt-Tg，e2＝∫(Topt-Tg)dτ，e3＝∫{∫Topt-Tg}dτ，式中Topt为最优转矩，Tg为低速轴的转矩；
步骤7：根据步骤6的误差，定义控制器的滑模面s＝a1e1+a2e2+a3e3，式中a1、a2、a3是常数。
步骤8：将步骤7中的滑模面求导得到：
Figure BDA0002910786350000034
上式中Topt为最优转矩，Tg为低速轴转矩；
步骤9：将步骤3中发电机电磁转矩参考转矩值代入步骤8得到：
Figure BDA0002910786350000041
式中Topt为最优转矩，Tg为低速轴的转矩，wopt为风力机的最优转速，a1、a2、a3是常数。
根据上述步骤所设计滑模面来设计控制率，为了验证所设计控制器的稳定性，选取Lyapunov函数为
Figure BDA0002910786350000042
求导得到：
Figure BDA0002910786350000043
将
Figure BDA0002910786350000044
代入上式得到：
Figure BDA0002910786350000045
式中，wopt为最优转速，ng为传动比，kopt为最佳转速时的比例常数，a1、a2、a3是常数，k为常数。
说明所设计的控制率满足Lypunov稳定性要求的，控制器是有效可行的。
实施例：
风力机的主要参数如表1所示
表1主要参数
Figure BDA0002910786350000051
首先使用美国国家能源部可再生能源实验室NREL提供的风速模拟软件TurbSim，生成风速平均值为7m/s，仿真时长为350s，湍流等级为A的风速序列，风速序列图如图2所示；
在美国能源实验室(NERL)开发的FAST软件上进行仿真，将运行参数输入到Matlab/Simulink搭建的风力机仿真模型搭建的控制器进行转矩控制，如图1所示；
通过构造的湍流风速，分别对滑模控制策略(SMC)和一阶滑模控制(FOSMC)进行仿真对比。从功率跟踪效果和发电机电磁转矩两个方面进行对比控制效果。
三种不同控制方法的功率跟踪效果如图3所示，从(a)图中可以看出，本文所提的控制策略和SMC在功率跟踪上基本能够取得了较好的跟踪效果，因此我们对仿真做了放大处理，可以看出在部分风速时刻跟踪效果要优于SMC，并且在降低载荷方面要比SMC更加有效；从(b)图中可以看出，功率跟踪效果在整个风速序列阶段都要明显优越于FOSMC，说明引入了双积分作用的控制器加速了跟踪响应的过程，对于功率跟踪效果的改进上有了质的飞跃。
图4为三种控制方法对于发电机电磁转矩的对比效果，从(a)图中可以看出，SMC要比本文所提控制方法所引起的电磁转矩波动要剧烈的多，大大增加了风力机的负载，造成风力机的寿命折损；FOSMC是通过跟踪风轮转速来获取风能的，一般来说可以实现较好的转速跟踪效果来达到获取较大的风能捕获，但是这种控制策略会严重造成发电机电磁转矩的强烈波动，从(b)图中可以看出，本文所提控制方法的电磁转矩波动要平滑的多，从而达到了减小风力机载荷的目的。
前面对三种控制方法的控制效果进行了对比分析，采用以下风能效率来进行对比：
Figure BDA0002910786350000052
其中，
Figure BDA0002910786350000053
Pg为实际功率，Popt为最佳功率，v为实际风速，Cpmax为最大风能利用系数。
从表2可以看到，本文所提控制方法降低了传动的负载，使得电磁转矩最小化。
表2
控制方法 风能捕获效率(％) 载荷(kNm)
本文所提的方法 93.91 624.28
SMC 91.55 677.29
FOSMC 91.84 791.93

Claims (9)

1.一种基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采用发电机电磁转矩和低风速转矩之间的标准差作为误差，在转矩误差中引入双积分作用，加速风力机对于转矩跟踪的响应速度，以发电机的电磁转矩作为发电机的输出来控制风力机实际的转矩，其中，发电机电磁转矩参考值
Figure FDA0002910786340000011
式中，wg为发电机的转速，kopt为最佳转速时的比例常数，ng为传动比。
2.根据权利要求1所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，所述的
Figure FDA0002910786340000012
式中λopt为最佳叶尖速比，R为风轮的半径，Cpmax为风力机运行时风能利用系数最大值。
3.根据权利要求2说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，所述的最佳叶尖速比
Figure FDA0002910786340000013
式中v为风速，wr为风力机的风轮转速，通过卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取到估计风速v。
4.根据权利要求1说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，根据发电机的电磁转矩和低速轴的转矩，设计滑模面的转矩跟踪误差，在转矩误差中引入积分作用：
定义转矩跟踪误差e1＝Topt-Tg，e2＝∫(Topt-Tg)dτ，e3＝∫{∫Topt-Tg}dτ，式中Topt为最优转矩，Tg为低速轴转矩。
5.根据权利要求4说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，根据滑模面的误差设计滑模面：定义控制器的滑模面s＝a1e1+a2e2+a3e3，a1、a2、a3是常数。
6.根据权利要求5说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，将滑模面求导：其步骤如下：
步骤A、
Figure RE-FDA0002987726420000014
步骤B、将
Figure RE-FDA0002987726420000015
代入步骤A得到：
Figure RE-FDA0002987726420000016
7.根据权利要求6说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，根据滑模面的转矩误差设计控制率：为了证明所设计的控制器在理论上是稳定的，选取Lypunov函数来证明控制器的稳定性，其方法为：
步骤A、选取Lypunov函数为
Figure RE-FDA0002987726420000021
步骤B、将步骤A求导：
Figure RE-FDA0002987726420000022
步骤C、将权利6中的滑模面导数代入步骤B得到：
Figure RE-FDA0002987726420000023
8.根据权利要求7说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，根据滑模面的设计选取控制率
Figure FDA0002910786340000024
Figure FDA0002910786340000025
式中，wopt为最优转速，ng为传动比，kopt为最佳转速时的比例常数。
9.根据权利要求8说所述的基于负载的低风速风力机双积分滑模控制方法，其特征在于，选取控制率
Figure FDA0002910786340000026
使得Lypunov函数
Figure FDA0002910786340000027
将
Figure FDA0002910786340000028
代入Lypunov函数得到：
Figure FDA0002910786340000029
式中，a1为正数。
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