CN112922782B - 一种基于adrc控制的风力发电机组传动链加阻方法 - Google Patents

一种基于adrc控制的风力发电机组传动链加阻方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，包括PI转矩控制环，所述PI转矩控制环中增加ADRC控制器，所述ADRC控制器根据扰动量输出发电机转矩增量，叠加至PI转矩控制器的发电机转矩给定值上。ADRC动态加阻控制器，对现有非线性扰动量进行实时跟踪和估计，在载荷突变和系统扰动的情况下对发电机组传动链进行有效加阻。ADRC动态加阻控制器通过补偿发电机组中的发电机电磁转矩来抑制载荷突变时产生的扭振，当机组受到外部扰动等非线性因素影响时，根据叶轮转速与等效发电机转速之间的转差大小进行动态传动链加阻。扩张观测器估计系统的内外扰动量，通过反馈的方式进行补偿，从而消除扰动对系统造成的影响，实现自抗扰效果。

Description

一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法
技术领域
本发明涉及一种控制系统领域，尤其涉及一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法。
背景技术
随着近年来风力发电技术不断的发展，业内对增加发电量和减小风机载荷等需求催生出了柔性塔架技术。目前柔塔技术广泛的应用到低风速，大容量的风力发电机中。然而相比于钢塔，柔塔中部件的固有频率较低，因此容易与叶轮频率发生共振，从而增加了传动链发生扭振的几率。为了减少因传动链扭振引起的机组疲劳损伤与发电量损失，同时保证机组的稳定运行，一个有效的传动链阻尼器的设计变得十分重要。常见的风机传动链加阻技术包括基于发电机转速的带通滤波器加阻法，该技术通过根据实时转速输出额外发电机转矩从而实现对传动链特定频率进行加阻。然而该方法在机组存在非线性扰动，或是载荷突变的情况下其加阻效果并不理想。另一方面，由于大部分传动链加阻控制器的参数已被事先设定，而随着风机长时间运行，其传动链内在的阻尼频率也会发生一定的变化，从而导致事先设定的传动链加阻效果逐渐减弱，从而增加了机组的疲劳载荷，影响了机组运行寿命。
例如，一种在中国专利文献上公开的“变速风力发电机组传动链加阻方法及系统”，其公告号CN104483846A，包括：获取变速风力发电机组的高速轴转速；对所述高速轴转速进行高通滤波，获得滤波转速；对所述滤波转速进行相位补偿计算得到补偿转速，并对所述补偿转速进行限幅滤波；根据预先设置的加阻比例系数、限幅滤波后的补偿转速和传动链加阻前的电磁转矩，计算出传动链加阻后的电磁转矩。因此，采用本发明的变速风力发电机组传动链加阻方法及系统，能有效地增加阻尼效果，消除系统谐振，降低风力发电机组的轴向载荷。但是该技术通过根据实时转速补偿过滤从而对传动链的特定频率进行加阻，该方法在机组存在非线性扰动，并且在传动链高速振荡、系统扰动及载荷突变的的情况下，加阻效果不理想，无法保证有效加阻，加阻系统动态抗干扰性能差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有风力发电机组的传动链加阻系统在载荷突变和系统扰动情况下无法保证有效加阻，加阻系统动态抗干扰能力差的问题，提供一种在机组运行中存在系统扰动及载荷突变的情况下对发电机组进行有效加阻，从而减少传动链扭振保证机组稳定运行的基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，包括PI转矩控制环，所述PI转矩控制环中增加ADRC控制器，所述ADRC控制器检测转速扰动量，根据扰动量输出发电机转矩增量，所述发电机转矩增量补偿Tdamp在发电机转矩控制环的发电机转矩给定值Te上,输出总发电机电磁转矩给定Td，Td＝Te+Tdamp。本方案能够解决机组运行时存在系统扰动及载荷突变的情况下对风机传动链系统进行有效加阻，从而减小传动链的扭振，保证了机组的稳定运行，PI转矩控制环为转矩环模型，PI转矩控制环通过err计算得到当前转速下需要的电磁转矩。
作为优选，所述ADRC控制器包括跟踪微分器、状态误差反馈组合和扩张状态观测器。跟踪微分器可以提取含有随机噪声的输入信号极其微分信号，解决了给定信号跟踪中超调量与快速性之间的矛盾；状态误差反馈组合通过对跟踪信号误差进行一定形式的非线性组合计算输出原始控制信号u0；所述扩张状态观测器的作用是估计系统的内外扰动量，并在通过反馈方式进行了补偿，从而消除了扰动对系统造成的影响，实现了自抗扰效果。
作为优选，所述跟踪微分器的数学模型为：
v1(k+1)＝v1(k)+hv2(k)
v2(k+1)＝v2(k)+h*fhan(v1(k)-v0(k),v2(k),δ,h)
其中，k为迭代次数，h为采样周期,δ为跟踪速度因子,v0为参考信号,v1为跟踪信号，v2为跟踪信号的微分,fhan为最速控制综合函数。
作为优选，所述状态误差反馈组合的数学模型为：
原始控制信号u0，
u0(k)＝β1e1(k)+β2e2(k)
其中,β1，β2为可调节参数，e1为跟踪信号与估计信号的误差，
e1(k)＝v1(k)-z1(k)
e2为跟踪信号的微分与估计信号微分的误差，
e2(k)＝v2(k)-z2(k)
其中，z1为ADRC输入转差信号y的估计值，z2为ADRC输入转差信号的微分
Figure BDA0002932465320000021
的估计值。
作为优选，所述扩张状态观测器的数学模型及更新律为：
z1(k+1)＝z1(k)+h(z2(k)-b1e(k))
z2(k+1)＝z2(k)+h(z3(k)-b2e(k)+u1(k))
z3(k+1)＝z3(k)-hb3e(k)
其中：z3为系统的扰动估计值，b1，b2，b3为扩张状态观测器的更新系数，e为输入估计值与实际输入的误差，
e(k)＝z1(k)-y(k)
u1为扩张观测器的控制输入信号，
Figure BDA0002932465320000031
其中：b0为控制信号增益系数。
作为优选，所述PI转矩控制环中的ADRC控制器的给定信号为v0，控制器输入为y，控制器输出为u：
v0＝0
Figure BDA0002932465320000032
Figure BDA0002932465320000033
其中，ωr为叶轮转速，ωg为发电机转速，N为传动链齿箱速比，G为可调节增益参数。
作为优选，所述PI转矩控制环中的ADRC控制器的输入y输出u迭代更新满足如下定律：
Figure BDA0002932465320000034
Figure BDA0002932465320000035
其中，ωr(k+1)为迭代后叶轮转速，ωg(k+1)为迭代后发电机转速。
作为优选，所述扩张观测器检测传动链扭振，扭振系数λ满足如下关系：
Figure BDA0002932465320000036
作为优选，当扭振系数λ不为0时，ADRC控制器会被激活并输出额外电磁转矩补偿。ADRC控制器通过补偿发电机电磁转矩来抑制载荷突变时产生的扭振，当机组受到外部扰动以及等非线性因素的影响时，叶轮转速与其等效发电机转速会出现一定程度不匹配，此时扭振系数λ不为0。当λ不为0时，ADRC控制器会被激活并输出额外电磁转矩，从而抑制传动系统的扭振。
作为优选，所述发电机转矩控制环为PI转矩控制环。
综上所述，本发明具有如下有益效果：(1)ADRC动态加阻控制器，对现有非线性扰动量进行实时跟踪和估计，在载荷突变和系统扰动的情况下对发电机组传动链进行有效加阻。(2)ADRC动态加阻控制器通过补偿发电机组中的发电机电磁转矩来抑制载荷突变时产生的扭振，当机组受到外部扰动等非线性因素影响时，根据叶轮转速与等效发电机转速之间的转差大小进行动态传动链加阻。(3)扩张观测器估计系统的内外扰动量，通过反馈的方式进行补偿，从而消除扰动对系统造成的影响，实现自抗扰效果。
附图说明
图1是本发明一实施例风力发电机组传动系统ADRC控制器加阻原理框图。
图2是本发明一实施例风力发电机组传动系统发电机转矩控制环实现过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
如图1～2所示的一种基于ADRC自抗扰的风力发电机组动态传动链加阻技术，在现有的PI发电机转矩环中增加一个ADRC动态加阻控制器，对现有的转速扰动量进行实时跟踪和估计，同时根据现有扰动量大小输出一个发电机转矩增量，补偿至PI发电机转矩环的发电机转矩给定值上，从而实现风机转动系统的动态加阻，包含ADRC控制器的PI发电机转矩环的结构如图2所示，其中r为ADRC给定信号，y为ADRC输入信号，u为ADRC输出信号，ωd为给定转速，ωm为发电机转速测量值，ωr为风机叶轮转速测量值。Te为PI输出的发电机电磁转矩，Tdamp为发电机电磁转矩补偿，Td为总发电机电磁转矩给定Td＝Te+Tdamp.ADRC控制器包括跟踪微分器、状态误差反馈组合和扩张状态观测器。跟踪微分器数学模型为：
v1(k+1)＝v1(k)+hv2(k)
v2(k+1)＝v2(k)+h*fhan(v1(k)-v0(k),v2(k),δ,h)
其中，k为迭代次数，h为采样周期,δ为跟踪速度因子,v0(k)为当前参考信号,v1(k)为当前跟踪信号，v2(k)为当前跟踪信号的微分,fhan为最速控制综合函数。
状态误差反馈组合数学模型：
状态误差反馈组合输出原始控制信号：
u0(k)＝β1e1(k)+β2e2(k)
e1(k)＝v1(k)-z1(k)
e2(k)＝v2(k)-z2(k)
其中，β1，β2为可调节参数，e1(k)为当前跟踪信号与估计信号的误差，e2(k)为当前跟踪信号的微分与估计信号微分的误差，z1(k)为当前ADRC输入转差信号y的估计值，z2(k)为当前ADRC输入转差信号的微分y的估计值。
扩张状态观测器的数学模型及更新律为：
z1(k+1)＝z1(k)+h(z2(k)-b1e(k))
z2(k+1)＝z2(k)+h(z3(k)-b2e(k)+u1(k))
z3(k+1)＝z3(k)-hb3e(k)
其中：z3(k)为当前系统的扰动估计值，b1，b2，b3为扩张状态观测器的更新系数，e(k)为当前输入估计值与实际输入的误差，
e(k)＝z1(k)-y(k)
u1(k)为当前扩张观测器的控制输入信号，
Figure BDA0002932465320000051
其中：b0为控制信号增益系数。
PI转矩控制环中的ADRC控制器的给定信号为v0，控制器当前输入为y(k)，控制器当前输出为u(k)：
v0＝0
Figure BDA0002932465320000052
Figure BDA0002932465320000053
其中，ωr(k)为当前叶轮转速，ωg(k)为当前发电机转速，N为传动链齿箱速比，G为可调节增益参数。
PI转矩控制环中的ADRC控制器的输入y输出u迭代更新满足如下定律：
Figure BDA0002932465320000054
Figure BDA0002932465320000055
其中，ωr(k+1)为迭代后叶轮转速，ωg(k+1)为迭代后发电机转速。
扩张观测器检测传动链扭振，扭振系数λ满足如下关系：
Figure BDA0002932465320000056
ADRC控制器通过补偿发电机电磁转矩来抑制载荷突变时产生的扭振，当机组受到外部扰动等非线性因素的影响时，叶轮转速与其等效发电机转速出现一定程度不匹配，此时扭振系数λ不为0，当λ不为0时，ADRC控制器会被激活输出额外电磁转矩，从而降低转动系统扭振。
传动链加阻步骤如下：
步骤一、输入初始数据，h＝0.02，δ＝50，b0＝0.5，G＝100，ω＝3，则可以得到b1＝9，b2＝27，b3＝27。将ADRC控制器的给定信号v0设定为0。计算当前转速偏差y(k)的值，表达如下：
Figure BDA0002932465320000061
步骤二、经过步骤一的描述，当前实际控制信号u(k)的更新律为：
Figure BDA0002932465320000062
在发电机转矩环中，补偿电磁转矩Tdamp＝u(k)，则总电磁转矩给定的更新律为：
Td(k+1)＝Te(k+1)+u(k+1)#(19)
步骤三、风机变流器执行更新后的总电磁转矩给定信号Td(k+1)，测量得到更新后的叶轮转速ωr(k+1)与发电机转速ωm(k+1)，得到更新后的转速偏差y(k+1)：
Figure BDA0002932465320000063
步骤四、将更新得到的y(k+1)输入至ADRC控制器中，结合步骤一，二，得到更新后的电磁转矩补偿量Tdamp＝u(k+2)。开始下一轮迭代过程。跟踪微分器可以提取含有随机噪声的输入信号极其微分信号，解决了给定信号跟踪中超调量与快速性之间的矛盾；状态误差反馈组合通过对跟踪信号误差进行一定形式的非线性组合计算输出原始控制信号u0；所述扩张状态观测器的作用是估计系统的内外扰动量，并在通过反馈方式进行了补偿，从而消除了扰动对系统造成的影响，实现了抗自扰效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了迭代次数、状态误差反馈组合、跟踪信号等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，包括发电机转矩控制环，所述发电机转矩控制环中增加ADRC控制器，所述ADRC控制器检测转速扰动量，根据扰动量输出发电机转矩增量，所述发电机转矩增量补偿Tdamp在发电机转矩控制环的发电机转矩给定值Te上,输出总发电机电磁转矩给定Td，Td＝Te+Tdamp；
所述ADRC控制器包括状态误差反馈组合和扩张状态观测器；
所述状态误差反馈组合数学模型：
原始控制信号u0，
u0(k)＝β1e1(k)+β2e2(k)
其中,β1，β2为可调节参数，e1为跟踪信号与估计信号的误差，
e1(k)＝v1(k)-z1(k)
e2为跟踪信号的微分与估计信号微分的误差，
e2(k)＝v2(k)-z2(k)
其中，z1为ADRC输入转差信号y的估计值，z2为ADRC输入转差信号的微分
Figure FDA0003639647260000014
的估计值；所述扩张状态观测器的数学模型及更新律为：
z1(k+1)＝z1(k)+h(z2(k)-b1e(k))
z2(k+1)＝z2(k)+h(z3(k)-b2e(k)+u1(k))
z3(k+1)＝z3(k)-hb3e(k)
其中：z3为系统的扰动估计值，b1，b2，b3为扩张状态观测器的更新系数，e为输入估计值与实际输入的误差，
e(k)＝z1(k)-y(k)
u1为扩张观测器的控制输入信号，
Figure FDA0003639647260000011
其中：b0为控制信号增益系数，
所述PI转矩控制环中的ADRC控制器的输入y输出u迭代更新满足如下定律：
Figure FDA0003639647260000012
Figure FDA0003639647260000013
其中，ωr(k+1)为迭代后叶轮转速，ωg(k+1)为迭代后发电机转速，G为可调节增益函数，所述扩张观测器检测传动链扭振，扭振系数λ满足如下关系：
Figure FDA0003639647260000021
其中，ωr为叶轮转速，ωg为发电机转速，N为传动链齿箱速比。
2.根据权利要求1所述的一种基于ADRC的传动链加阻方法，其特征在于，所述ADRC控制器还包括跟踪微分器。
3.根据权利要求2所述的一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，所述跟踪微分器数学模型为：
v1(k+1)＝v1(k)+hv2(k)
v2(k+1)＝v2(k)+h*fhan(v1(k)-v0(k),v2(k),δ,h)
其中，k为迭代次数，h为采样周期,δ为跟踪速度因子,v0为参考信号,v1为跟踪信号，v2为跟踪信号的微分,fhan为最速控制综合函数。
4.根据权利要求1所述的一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，所述PI转矩控制环中的ADRC控制器的给定信号为v0，控制器输入为y(k)，控制器输出为u：
v0＝0
Figure FDA0003639647260000022
Figure FDA0003639647260000023
其中，ωr为叶轮转速，ωg为发电机转速，N为传动链齿箱速比，G为可调节增益参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，当扭振系数λ不为0时，ADRC控制器会被激活并输出额外电磁转矩补偿。
6.根据权利要求5所述的一种基于ADRC控制的风力发电机组传动链加阻方法，其特征在于，所述发电机转矩控制环为PI转矩控制环。
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