CN113638840B - 基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,根据转矩、桨距环节的动态特性,设计动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块,变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块以及对控制器参数进行整定,进一步降低湍流风况下风电机组功率、转速的波动;本发明设计合理的转矩—变桨解耦控制策略,保证两个LADRC控制器之间的切换,防止风电机组在额定风速附近出现控制失稳的现象。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电控制技术领域,更具体地说,涉及一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法。
背景技术
随着风电机组向着大型化、智能化方向发展,先进的风电机组控制算法对机组安全、稳定运行至关重要。目前风电机组全风速段的控制主要采用两个PID控制器实现,即低风速段的转矩PID控制、高风速段的桨距PID控制以及额定风速附近的转矩和桨距解耦控制环节。由于PID控制算法是以转速的误差作为输入,而转速的变化经过风电机组的机械传动机构后,与风速的变化相比存在明显的滞后,而且在实际控制中,测量的转速信号还要经过滤波环节才能引入转矩和变桨控制环节中,这样导致了风电机组控制系统不能够及时地对风速的变化产生反应,系统的抗扰性较差,影响系统的安全、稳定运行。所以,本发明采用LADRC控制器作为转矩—桨距的主控制器,能够实现对被控量转速以及系统总扰动的实时估计,增强风电机机组的抗扰性能。
对于风电机组的控制,国内外学者已经开展了广泛的研究。在转矩控制方面,提出了一种动态变限的转矩控制策略,该控制策略是基于传统的PI控制器。另外有研究者采用了模糊滑模变结构控制技术实现了对机组转矩控制的优化,该方法在制定模糊规则时依赖长期的运行调试经验。在桨距控制方面,有研究者采用线性和非线性控制器对传统PID变桨控制算法进行了优化和改进,只考虑了额定风速以上的变桨距控制,缺乏额定风速以下的转矩控制,未实现全风况下的风电机组控制。针对转矩PI和桨距PI在额定风速附近存在耦合的问题,一些研究人员提出了各自的解耦方法,但是都是基于传统的PI控制器,也并未深入探讨解耦后的控制算法对机组载荷的影响。自抗扰控制器是我国中科院研究员韩京清先生经过多年研究,提出的一种新型控制器,目前,有学者已经将自抗扰控制技术已应用于风电机组的控制,主要偏向于风电机组在额定风速以上的变桨控制以及风电机组的变流器控制,而针对全风速段的双自抗扰(LADRC)控制策略还未见相关研究报道。和传统PI控制相比,探究利用双LADRC重新设计风电机组的转矩和桨距控制环节后给风电机组带来的影响具有重要的工程实践意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的缺陷,提供一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,通过一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制算法进行控制,所述控制算法包括:动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块,变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块;
所述控制方法包括步骤:
通过系统闭环零极点的离线分析模块,构建风电机组的非线性模型,针对转矩和桨距控制环节做开环仿真实验,获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数;
将一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的控制参数按照离线分析模块仿真得到的最优控制参数进行部署;
测量实时风速,若实时风速低于额定风速,则通过一阶LADRC转矩控制模块对风电机组的转矩进行控制;
在一阶LADRC转矩控制模块对风电机组转矩的控制过程中,控制器切换控制模块判断风电机组的实时功率是否达到额定功率,若达到额定功率,则结合前一时刻的桨距角指令进行一阶LADRC转矩控制模块向二阶LADRC变桨控制模块的切换,实现通过二阶LADRC变桨控制模块进行桨距的控制。
其中,动态变限的一阶LADRC转矩控制模块包括一阶LADRC转矩控制器,其公式表示如公式(1)所示:
其中,表示一阶LADRC中状态观测器的状态变量,zA1、zA2分别与Ω、f的观测值相对应;Ω表示实际转速信号;f表示转矩控制环节的总扰动;表示状态观测器的状态矩阵;表示状态观测器的控制矩阵,bA0为给定的非零常数;表示状态观测器的观测矩阵,wAo为观测带宽;表示状态观测器的输出矩阵;表示状态观测器的输出;Tem表示控制器的输出转矩指令;kpA表示控制器的比例系数;Ωr表示转速的控制目标值。
其中,根据转速滤波后的值ΩF和桨距角的给定值θr实现转速控制目标值、一阶LADRC转矩控制器输出的最大值Temmax和最小值Temmin的动态给定,包括步骤:
当转速的滤波值ΩF不大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为风电机组最小转速Ωmin,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为k表示转矩系数,控制器的最小输出为0;
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,PN表示风电机组发电机的额定功率,控制器的最小输出为
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr产生变化时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,控制器的最小输出也为PN/ΩF。
其中,二阶LADRC变桨控制模块包括二阶LADRC桨距控制器,其公式表示如公式(2)所示:
式中:表示二阶LADRC桨距控制器中状态观测器的状态变量,zB1、zB2、zB3分别与Ω、fB的观测值相对应;Ω表示实际的转速信号,表示转速的微分,表示状态变量的微分,fB表示桨距控制环节的总扰动,表示状态观测器的状态矩阵;表示状态观测器的控制矩阵,bB0为给定的非零常数;表示状态观测器的观测矩阵,wBo为二阶LADRC桨距控制器的观测带宽;表示状态观测器的输出矩阵;表示状态观测器的输出;θr表示二阶LADRC桨距控制器的输出桨距角指令;kpB表示二阶LADRC桨距控制器的比例系数;kdB表示二阶LADRC桨距控制器的微分系数;ΩN表示风电机组的额定转速。
其中,对二阶LADRC桨距控制器的观测带宽wBo进行整定;通过分析桨距环节的闭环特征方程的零极点分布,在保证桨距控制环节稳定控制的前提下,得到不同桨距角下控制器观测带宽的变化规律,利用查表的方法实现二阶LADRC桨距控制器的动态变带宽控制。
其中,控制器切换控制模块的工作过程步骤包括:
当功率估计值大于等于机组额定功率,且前一时刻桨距角指令不是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,而二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令不是最小值,一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器动作,按照控制器计算出的转矩指令正常输出,而二阶LADRC桨距控制器不动作,输出为机组桨距角的最小值。
其中,在获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数的步骤中,包括步骤:
保证风速不变的情况下,分别改变转矩、桨距角的大小得到转速的变化曲线,采用曲线拟合的方法得到转矩与转速、桨距角与转速的开环传递函数,结合转矩、桨距角控制器的传递函数,得到转矩、桨距角控制环节的闭环传递函数,通过闭环零极点分析的方法:即取主导极点的阻尼比为0.707时对应的最优控制参数。
区别于现有技术,本发明提供了一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,根据转矩、桨距环节的动态特性,设计动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块,变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块以及对控制器参数进行整定,进一步降低湍流风况下风电机组功率、转速的波动;本发明设计合理的转矩—变桨解耦控制策略,保证两个LADRC控制器之间的切换,防止风电机组在额定风速附近出现控制失稳的现象。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明提供的一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法的逻辑示意图。
图2是本发明提供的一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法中本发明算法与现有算法的效果对比示意图。
图3是本发明提供的一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法中本发明算法与现有算法的挥舞载荷受力波动对比示意图。
图4是本发明提供的一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法中本发明算法与现有算法的挥舞载荷力矩波动对比示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,本发明提供了一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,通过一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制算法进行控制,所述控制算法包括:动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块,变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块;
所述控制方法包括步骤:
通过系统闭环零极点的离线分析模块,构建风电机组的非线性模型,针对转矩和桨距控制环节做开环仿真实验,获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数;
将一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的控制参数按照离线分析模块仿真得到的最优控制参数进行部署;
测量实时风速,若实时风速低于额定风速,则通过一阶LADRC转矩控制模块对风电机组的转矩进行控制;
在一阶LADRC转矩控制模块对风电机组转矩的控制过程中,控制器切换控制模块判断风电机组的实时功率是否达到额定功率,若达到额定功率,则结合前一时刻的桨距角指令进行一阶LADRC转矩控制模块向二阶LADRC变桨控制模块的切换,实现通过二阶LADRC变桨控制模块进行桨距的控制。
其中,动态变限的一阶LADRC转矩控制模块包括一阶LADRC转矩控制器,其公式表示如公式(1)所示:
其中,表示一阶LADRC中状态观测器的状态变量,zA1、zA2分别与Ω、f的观测值相对应;Ω表示实际转速信号;f表示转矩控制环节的总扰动;表示状态观测器的状态矩阵;表示状态观测器的控制矩阵,bA0为给定的非零常数;表示状态观测器的观测矩阵,wAo为观测带宽;表示状态观测器的输出矩阵;表示状态观测器的输出;Tem表示控制器的输出转矩指令;kpA表示控制器的比例系数;Ωr表示转速的控制目标值。
其中,根据转速滤波后的值ΩF和桨距角的给定值θr实现转速控制目标值、一阶LADRC转矩控制器输出的最大值Temmax和最小值Temmin的动态给定,包括步骤:
当转速的滤波值ΩF不大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为风电机组最小转速Ωmin,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为k表示转矩系数,控制器的最小输出为0;
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,PN表示风电机组发电机的额定功率,控制器的最小输出为
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr产生变化时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,控制器的最小输出也为PN/ΩF。
通常kpA和wAc存在如式3所示的关系:
kpA=0.6wAo (3)
通过分析转矩环节的闭环特征方程的零极点分布,在保证转矩控制环节稳定控制的前提下,得到转矩控制器的整定控制参数。
其中,二阶LADRC变桨控制模块包括二阶LADRC桨距控制器,其公式表示如公式(2)所示:
式中:表示二阶LADRC桨距控制器中状态观测器的状态变量,zB1、zB2、zB3分别与Ω、fB的观测值相对应;Ω表示实际的转速信号,表示转速的微分,表示状态变量的微分,fB表示桨距控制环节的总扰动,表示状态观测器的状态矩阵;表示状态观测器的控制矩阵,bB0为给定的非零常数;表示状态观测器的观测矩阵,wBo为二阶LADRC桨距控制器的观测带宽;表示状态观测器的输出矩阵;表示状态观测器的输出;θr表示二阶LADRC桨距控制器的输出桨距角指令;kpB表示二阶LADRC桨距控制器的比例系数;kdB表示二阶LADRC桨距控制器的微分系数;ΩN表示风电机组的额定转速。
wBo、wBc、KpB和KdB存在如式4所示的关系:
对二阶LADRC桨距控制器的观测带宽wBo进行整定;通过分析桨距环节的闭环特征方程的零极点分布,在保证桨距控制环节稳定控制的前提下,得到不同桨距角下控制器观测带宽的变化规律,利用查表的方法实现二阶LADRC桨距控制器的动态变带宽控制。
控制器切换控制模块利用二阶LADRC变桨控制器中的状态观测器重构的转速值,按照PNΩN/zB1计算公式计算机组功率估计值是否已达额定功率,并结合前一时刻的桨距角指令值综合给出桨距控制器和转矩控制器的切换策略。其工作过程步骤包括:
当功率估计值大于等于机组额定功率,且前一时刻桨距角指令不是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,而二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令不是最小值,一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器动作,按照控制器计算出的转矩指令正常输出,而二阶LADRC桨距控制器不动作,输出为机组桨距角的最小值。
其中,在获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数的步骤中,包括步骤:
保证风速不变的情况下,分别改变转矩、桨距角的大小得到转速的变化曲线,采用曲线拟合的方法得到转矩与转速、桨距角与转速的开环传递函数,结合转矩、桨距角控制器的传递函数,得到转矩、桨距角控制环节的闭环传递函数,通过闭环零极点分析的方法:即取主导极点的阻尼比为0.707时对应的最优控制参数。
图2-4分别给出了本发明相比目前已有的技术在控制效果方面的优势。图2中,通过线条展示了查表控制、双PI控制和本发明的双LADRC控制方法的控制效果对比,从图中可以直观看出,本发明的双LADRC控制方法更佳;图3和图4所示是查表控制、双PI控制和本发明的双LADRC控制方法三种控制方法对应的挥舞载荷受力波动和挥舞载荷力矩波动对比,从图中可知,本发明方法的载荷受力波动和挥舞载荷力矩波动最低。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,其特征在于,通过一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制算法进行控制,所述控制算法包括:动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块,变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块;
所述控制方法包括步骤:
构建风电机组的非线性模型,针对转矩和桨距控制环节做开环仿真实验,通过系统闭环零极点的离线分析模块,获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数;
将一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的控制参数按照离线分析模块仿真得到的最优控制参数进行部署;
测量实时风速,若实时风速低于额定风速,则通过一阶LADRC转矩控制模块对风电机组的转矩进行控制;
在一阶LADRC转矩控制模块对风电机组转矩的控制过程中,控制器切换控制模块判断风电机组的实时功率是否达到额定功率,若达到额定功率,则结合前一时刻的桨距角指令进行一阶LADRC转矩控制模块向二阶LADRC变桨控制模块的切换,实现通过二阶LADRC变桨控制模块进行桨距的控制;
动态变限的一阶LADRC转矩控制模块包括一阶LADRC转矩控制器,其公式表示如公式(1)所示:
其中,表示一阶LADRC中状态观测器的状态变量,zA1、zA2分别与Ω、f的观测值相对应;Ω表示实际转速信号;f表示转矩控制环节的总扰动;表示状态观测器的状态矩阵;表示状态观测器的控制矩阵,bA0为给定的非零常数;表示状态观测器的观测矩阵,wAo为观测带宽;表示状态观测器的输出矩阵;表示状态观测器的输出;Tem表示控制器的输出转矩指令;kpA表示控制器的比例系数;Ωr表示转速的控制目标值;
二阶LADRC变桨控制模块包括二阶LADRC桨距控制器,其公式表示如公式(2)所示:
2.根据权利要求1所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,其特征在于,根据转速滤波后的值ΩF和桨距角的给定值θr实现转速控制目标值、一阶LADRC转矩控制器输出的最大值Temmax和最小值Temmin的动态给定,包括步骤:
当转速的滤波值ΩF不大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为风电机组最小转速Ωmin,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为k表示转矩系数,控制器的最小输出为0;
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr维持在最小值不变时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,PN表示风电机组发电机的额定功率,控制器的最小输出为
当转速的滤波值ΩF大于机组最小转速Ωmin和额定转速ΩN的均值且桨距角的给定值θr产生变化时,转速的控制目标指令为机组额定转速ΩN,一阶LADRC转矩控制器的最大输出为PN/ΩF,控制器的最小输出也为PN/ΩF。
3.根据权利要求1所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,其特征在于,对二阶LADRC桨距控制器的观测带宽wBo进行整定;通过分析桨距环节的闭环特征方程的零极点分布,在保证桨距控制环节稳定控制的前提下,得到不同桨距角下控制器观测带宽的变化规律,利用查表的方法实现二阶LADRC桨距控制器的动态变带宽控制。
4.根据权利要求1所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,其特征在于,控制器切换控制模块的工作过程步骤包括:
当功率估计值大于等于机组额定功率,且前一时刻桨距角指令不是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,而二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令不是最小值,一阶LADRC转矩控制器不动作,输出转矩保持最大不变,二阶LADRC桨距控制器控制变桨执行机构动作;
当功率估计值小于机组额定功率且前一时刻桨距角指令是最小值,此时一阶LADRC转矩控制器动作,按照控制器计算出的转矩指令正常输出,而二阶LADRC桨距控制器不动作,输出为机组桨距角的最小值。
5.根据权利要求1所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法,其特征在于,在获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数的步骤中,包括步骤:
保证风速不变的情况下,分别改变转矩、桨距角的大小得到转速的变化曲线,采用曲线拟合的方法得到转矩与转速、桨距角与转速的开环传递函数,结合转矩、桨距角控制器的传递函数,得到转矩、桨距角控制环节的闭环传递函数,通过闭环零极点分析的方法:即取主导极点的阻尼比为0.707时对应的最优控制参数。
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