CN115182844A - 一种变速风力发电机组有界ude转矩控制方法 - Google Patents

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CN115182844A CN202210878100.9A CN202210878100A CN115182844A CN 115182844 A CN115182844 A CN 115182844A CN 202210878100 A CN202210878100 A CN 202210878100A CN 115182844 A CN115182844 A CN 115182844A
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Abstract

本发明公开了一种变速风力发电机组有界UDE转矩控制方法。该方法包括有界约束算法、UDE转矩控制器两部分。为了避免系统输入转矩超出风机最大承受范围，造成积分饱和，导致跟踪效果变差甚至系统失控等现象，使用约束算法，根据转矩大小动态调节约束系数，使约束系数和转矩之间的关系始终保持在设定的椭圆区域上；将约束系数引入到跟踪误差中，设计出有界UDE转矩控制器，以应对风电机组转矩控制中的积分饱和现象，达到控制效果。该方法简单易行，成本低，给定风机所能承受的最大转矩范围，便可实时得到约束系数，系统整体的计算量增加较少，避免积分饱和带来的负面影响，提升控制效果，提高风能捕获效率，提高风电场的经济效益。

Description

一种变速风力发电机组有界UDE转矩控制方法
技术领域
本发明涉及变速风力发电机组控制技术领域，特别涉及变速风力发电机组的有界UDE转矩控制。
背景技术
近年来，风力发电技术在国内外得到了迅猛发展，风能已经成为使用最广泛的可再生能源之一。然而，由于风能的不确定性、恶劣环境的负面影响以及风电机组自身老化等问题，使风力发电机转矩控制(最大风能捕获控制)中出现诸多不确定参数和未知扰动，影响控制效果，降低风能捕获效率，因此，优化转矩控制已成为风电技术领域中的研究热点。
在风电机组运行过程中，根据风速的不同，可以分为三个运行区域，在不同的运行区域有不同的控制目标。在区域1中，由于风能较少，无法补偿机组运行所带来的损耗，发电机处于停机状态；在区域2(低风速运行区域)中，主要的控制目标是调节发电机转矩，通过转矩产生的制动力调整风轮转速，使其最大程度上跟踪最优转速，以尽量小的转矩波动实现机组的最大风能捕获；区域3(高风速运行区域)的主要控制目标是避免发电机过热、超速、振荡，确保整个机组和电网系统的安全，获得高质量的风电便于并网，该控制目标一般通过桨距角控制来实现。本发明主要面向区域2的控制目标，针对控制中存在的不确定性和扰动问题对转矩控制方法进行优化改进。
风电机组一般采用爬山算法和功率曲线法进行最大功率点跟踪，爬山算法采用自适应搜索算法对最优转速进行逼近，它通过观察转速响应结束后风力机的功率变化，确定下一周期转速的搜索方向和步长，反复扰动直至逼近最优转速，然而该方法用在大惯量机组上或者风电机组遭遇较大风速波动时，其最大功率点的跟踪效果有待于提高；功率曲线法根据设定的最优功率曲线进行最大风能捕获控制，该方法在大中型风电机组应用较为广泛，然而，在风机叶片结冰等强不确定和干扰情况下，设定的功率曲线往往会脱离最优功率曲线，产生控制偏差，进而导致风能捕获效率降低。
为了解决风电控制系统设计中的不确定性和干扰的问题，学者们提出了一种基于不确定性和扰动估计器的控制算法(UDE控制器)，在UDE的控制设计中，采用了一个滤波器来估计和补偿不确定性和扰动，消除了由于外界环境变化导致的最优控制偏差。在区域2，通过发电机转矩来调节风轮转速，使其运行在最优转速以达到最大风能捕获，然而，在实践中，由于执行器的物理限制或操作的安全要求，系统的控制输入往往是带约束的，当需要很大的转矩时，这会导致执行器的参考输入和实际输出之间存在差异，这种差异会在跟踪误差的积分作用中持续增加，出现积分饱和现象，进而导致风电机组整体性能下降甚至失控。
发明内容
为了实现在风电机组跟踪最优转速同时，减少外界环境变化引起的负面影响，解决现有转矩控制器存在的由于输入值超出执行器最大承受范围导致的积分饱和问题，本发明提供一种简单易行、成本低的风电机组有界UDE转矩控制方法，使用滤波器来估计和补偿不确定性和扰动，在调节转速、提高产能的同时，使用有界约束算法防止积分饱和，能够优化转速跟踪效果，增大风能捕获效率，提高系统的整体稳定性。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种变速风力发电机组有界UDE转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：使用TurbSim软件生成一段时间内的随机风速信息
随机风速信息用v表示，将风速信息应用到FAST风电技术仿真平台中，风电机组的转速用ωr表示，电磁转矩用Tg表示；
步骤2：根据机组信息确定最优转速，与实际转速做差得到跟踪误差
其中，不同的机组型号对应的最优叶尖速比是不同的，根据机组信息就可以知道最优叶尖速比值，根据风速和机组型号确定最优转速ωropt，表达式为：
Figure BDA0003762970340000021
其中，λopt为最优叶尖速比，R是机组叶片半径；
通过步骤1中的实际转速即输出风机转速ωr和上述中的最优转速ωropt，得到跟踪误差 e，其定义为e＝ωr-ωropt，跟踪误差变化率满足：
Figure BDA0003762970340000022
其中，k为负常数；
步骤3：对风电机组一般动态表达式中的未知项进行近似估计和滤波
通过结合风电机组动力学公式并考虑到机组的强不确定性和不可预测的运行环境，得到风电机组的一般动态表达式如下：
Figure BDA0003762970340000023
其中，Kt是总阻尼系数，Jt是总惯性常数，Ta是气动转矩；
根据UDE原理，将上述风电机组的一般动态表达式中的气动转矩项
Figure BDA0003762970340000031
和未知扰动 d(t)的和近似估计为
Figure BDA0003762970340000032
其具体表达式是：
Figure BDA0003762970340000033
其中，Gf(s)是UDE滤波器，它具有合适的带宽来保证估计精度，L-1表示逆拉普拉斯变换，*是卷积算子；
进一步可将转矩控制率表述为：
Figure BDA0003762970340000034
其中，s是时间变量在复频域的表示方式。
步骤4：设计约束条件，引入到原始跟踪误差变化率中，并基于新的误差变化率设计有界UDE控制器
在骤2原始误差动力学中引入了一个附加的时变变量k0，当最终控制器输出转矩Tg接近执行器约束边界时，k0接近0，则可以避免积分饱和；将约束系数k0引入到步骤2中来防止连续积分作用导致的积分饱和，新的误差变化率变为
Figure BDA0003762970340000035
基于新的误差变化率，将UDE转矩控制修改为：
Figure BDA0003762970340000036
步骤5：根据约束条件要求，设计约束系数变化率
为了实现步骤4中防积分饱和要求，设计系统输入转矩或最终控制器输出转矩Tg和时变变量k0始终在一个期望的椭圆上移动，约束系数k0和控制器最终输出转矩Tg之间的关系以描述为：
Figure BDA0003762970340000037
其中，Tgmax是风机最大转矩，Tgmin是风机最小转矩；
步骤6：设计有界UDE控制器最终输出变化率
为了实现期望的椭圆，以Tgn为输入的时变变量k0的变化率表达式如下：
Figure BDA0003762970340000041
其中，k1和k2是正常数。
设计的控制器最终输出转矩Tg的变化率表达式是：
Figure BDA0003762970340000042
其中，
Figure BDA0003762970340000043
是约束区间的中点。
进一步的，所述步骤3中风电机组动力学公式表示如下：
Figure BDA0003762970340000044
Figure BDA0003762970340000045
Figure BDA0003762970340000046
本发明的有益效果是：针对功率曲线法转矩控制在应对外界环境变化或者机组本身老化等情况时，出现参考曲线偏离最优曲线，造成风能捕获的损失，使用UDE转矩控制方法，可以估计不确定性和扰动，消除由于外界环境变化导致的最优控制偏差，使风电机组运行在最优转速上，从而提高风能捕获效率；针对系统输入超出执行器最大转矩范围，造成积分饱和，导致风电机组整体性能下降甚至失控，设计约束系数算法，根据最终控制器输出转矩和风电机组承受转矩范围，动态调节约束系数，使其和转矩之间的关系始终保持在设定的椭圆区域上，进而避免出现积分饱和现象，该算法需要调试的控制参数较少，易于实施，成本低，与传统的UDE控制器相比，能够在减小外界环境变化导致负面影响的同时，防止积分饱和现象发生，优化转矩控制性能和转速跟踪效果，进而提升风电机组整体稳定性，提高发电效率。
附图说明
图1为风速-时间关系曲线；
图2是约束系数k0和控制器输出Tg之间的关系曲线；
图3为有界UDE控制器和传统UDE最终控制器输出转矩对比图；
图4为积分项数值对比图；
图5为有界UDE控制方法设计流程图；
图6为风轮转速和最优转速跟踪效果图；
图7是发电功率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图5所示，本发明提供的一种有界约束UDE转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤1，使用TurbSim软件生成一段时间内的随机风速信息
使用TurbSim软件生成一个在4m/s到8m/s之间平均风速为6m/s的连续随机风速文件，得到如图1所示的风速-时间关系曲线，随机风速信息用v表示，使用FAST风电技术仿真平台调用风速文件，风机输出转速用ωr表示，系统输入转矩用Tg表示。
步骤2，根据机组信息确定最优转速，与实际转速做差得到跟踪误差
当机组运行在最优叶尖速比时，对风能利用率达到最大，根据风速和风电机组叶片半径可以确定最优参考转速，不同的机组型号对应的最优叶尖速比是不同的，根据机组信息就可以知道最优叶尖速比λopt，机组信息可以由说明书获得，其具体表达式是：
Figure BDA0003762970340000051
其中，R是机组叶片半径，λopt是最优叶尖速比。
通过步骤1中的实际转速即输出风机转速ωr和上述中得到的最优参考转速，可以得到跟踪误差其定义为e＝ωr-ωropt，此时，将转速跟踪问题转化为消除跟踪误差，为了使跟踪误差收敛到0，跟踪误差变化率满足：
Figure BDA0003762970340000052
其中，k取负常数。
步骤3，对风电机组一般动态表达式中的未知项进行近似估计和滤波
假设风电机组高速轴和低速轴是刚性的，齿轮箱是理想的，借助基本物理定律可以将风电机组的动力学表示如下：
Figure BDA0003762970340000053
Figure BDA0003762970340000061
Figure BDA0003762970340000062
其中，Jr是转子惯性常数，Ta是气动转矩，Kr是转子外部阻尼系数，Tls是低速轴转矩，Jg是发电机惯性常数，Ths是高速轴转矩，Kg是发电机外部阻尼系数，ωg是发电机转速，Tem是电磁转矩。通过结合风电机组动力学公式并考虑到机组的强不确定性和不可预测的运行环境，可以得到风电机组的一般动态表达式如下：
Figure BDA0003762970340000063
其中，Kt是总阻尼系数，Jt是总惯性常数。
将上述风电机组的一般动态表达式中的气动转矩项
Figure BDA0003762970340000064
和未知扰动d(t)的和近似为
Figure BDA0003762970340000065
其具体表达式是：
Figure BDA0003762970340000066
其中，Gf(s)是UDE滤波器，它具有严格适当的稳定方式和合适的带宽来覆盖ud的频谱。L-1表示逆拉普拉斯变换，*是卷积算子。
根据上述要求，得到UDE转矩控制表达式为：
Figure BDA0003762970340000067
进一步地，将上述转矩控制率表述为：
Figure BDA0003762970340000068
其中，s是时间变量在复频域的表示方式；
步骤4，设计约束条件，引入到原始跟踪误差变化率中，并基于新的误差变化率设计有界UDE控制器
在传统的基于UDE的控制器中，当系统输入受到约束时，积分饱和是由
Figure BDA0003762970340000069
中的积分作用连续作用于跟踪误差引起的，为了减轻积分作用对跟踪误差的连续影响，在步骤2原始误差动态特性中引入了一个附加的时变变量k0，当最终控制器输出Tg接近执行器响应边界时，k0可以接近0，则可以避免积分饱和。将约束系数k0引入到步骤3中来防止连续积分作用导致的积分饱和，新的误差变化率变为
Figure BDA0003762970340000071
基于新的误差变化率，将UDE转矩控制修改为：
Figure BDA0003762970340000072
步骤5：根据约束条件要求，设计约束系数变化率
为了实现步骤4中防积分饱和要求，设计系统输入转矩或最终控制器输出转矩Tg和时变变量k0始终在图2所示的椭圆上移动，约束系数k0和最终控制器输出转矩Tg之间的关系以描述为：
Figure BDA0003762970340000073
其中，Tgmax是风机最大转矩，Tgmin是风机最小转矩。
步骤6，为了实现步骤5中期望的椭圆，针对最终控制器输出Tg和以Tgn为输入的时变变量k0，开发了一种具有有界设计的动态控制器，控制器最终输出Tg的变化率和约束系数k0的变化率具体表达式是：
Figure BDA0003762970340000074
Figure BDA0003762970340000075
其中，
Figure BDA0003762970340000076
是约束区间的中点，k1和k2是正常数，k0是输入到新的误差动力学中的附加时变约束系数，值得注意的是，控制器最终输出Tg的变化率和约束系数k0的变化率设计在系统中不受系统顺序的影响，也不花费太多的计算资源。通过有界性设计，最终的控制器输出Tg和时变变量k0在期望椭圆内进行调节，Tg保持在给定的(Tgmax，Tgmin)范围内，进而避免出现积分饱和现象，该控制器需要调试的控制参数较少，易于实施，成本低，与传统的UDE控制器相比，能够在减小外界环境变化导致负面影响的同时，防止积分饱和现象发生，优化转矩控制性能和转速跟踪效果，进而提升风电机组整体稳定性，提高发电效率。
为量化比较本发明提出的有界约束UDE转矩控制器和传统的UDE转矩控制器的控制效果，需要对控制器的评价指标进行说明。实际中，转矩的调节直接影响到转子转速的变化，积分饱和会导致转矩调节不稳定甚至失控，从而影响发电效率，为了验证本发明在防积分饱和方面上的控制效果，采用在FAST平台上调用相同的风速文件，来对比两种控制方法在应对积分饱和时的控制效果，因此，本发明使用发电功率对转矩控制进行评价，评价指标如下：
Pg＝Tgωr
其中，Pg为发电机的发电功率。
实施例2
本实施例使用风电技术开发软件FAST仿真平台，对本发明方法的有效性进行验证。
实施例中使用1.5MW三叶片水平轴变速风力发电机组模型，其主要参数如下表所示：
风力发电机组基本参数 数值范围
额定功率 1.5MW
平均风速 6m/s
风轮半径 35m
叶片数 3
齿轮箱传动比 87.965
最优功率系数 0.4818
最佳叶尖速比 6.56
控制器参数选择如下：
Jt＝389094.67254，Kt＝400.003445，k1＝1，k2＝80，k＝20。
图1为风速-时间关系曲线。
图2是约束系数k0和控制器输出Tg之间的关系曲线。系统输入或最终控制器输出转矩Tg和时变变量k0始终在所示的椭圆上移动。当控制器输出接近执行器边界值时，约束系数k0收敛到0，本实施例中，控制器的最终输出可以认为是系统的控制输入，执行器的输入用公式中的电磁转矩Tem表示，Tg和Tem之间的比例系数为齿轮箱传动比87.965，文中说的最终控制器输出是为了区分加有界约束之前的控制器中间输出项Tgn。
图3是有界UDE控制器和传统UDE最终控制器输出转矩对比图。可以看出，在传统UDE 需要降低转矩来提高转速时，需要先消除由于积分饱和产生的累加项，导致系统短暂失控。
图4是积分项数值对比图。
图6是风轮转速和最优转速跟踪效果图。可以看出，系统处于失控状态时，跟踪效果变差，直接影响风能捕获效率。而有界UDE消除了积分饱和，增强了系统稳定性，可以实时转速跟踪，提高发电效率。
图7是发电功率对比图。经计算，有界UDE方法比传统UDE方法在仿真区间内，发电功率提高了1.07％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种变速风力发电机组有界UDE转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：使用TurbSim软件生成随机风速信息
随机风速信息用v表示，将风速信息应用到FAST风电技术仿真平台中，输出风机转速用ωr表示，系统输入转矩用Tg表示；
步骤2：根据机组信息确定最优转速，与实际转速做差得到跟踪误差
根据风速和机组型号确定最优转速ωropt，表达式为：
Figure FDA0003762970330000011
其中，λopt为最优叶尖速比，R是机组叶片半径；
通过步骤1中的实际转速即输出风机转速ωr和上述中的最优转速ωropt，得到跟踪误差e，其定义为e＝ωr-ωropt，跟踪误差变化率满足：
Figure FDA0003762970330000012
其中，k为负常数；
步骤3：对风电机组一般动态表达式中的未知项进行近似估计和滤波
通过结合风电机组动力学公式并考虑到机组的强不确定性和不可预测的运行环境，得到风电机组的一般动态表达式如下：
Figure FDA0003762970330000013
其中，Kt是总阻尼系数，Jt是总惯性常数，Ta是气动转矩，；
将上述风电机组的一般动态表达式中的气动转矩项
Figure FDA0003762970330000014
和未知扰动d(t)的和近似为
Figure FDA0003762970330000015
其具体表达式是：
Figure FDA0003762970330000016
其中，Gf(s)是UDE滤波器，它具有严格适当的稳定方式和合适的带宽来覆盖ud的频谱，L-1表示逆拉普拉斯变换，*是卷积算子；
将转矩控制率表述为：
Figure FDA0003762970330000017
其中，s是时间变量在复频域的表示方式；
步骤4：设计约束条件，引入到原始跟踪误差变化率中，并基于新的误差变化率设计有界UDE控制器
在骤2原始误差动力学中引入了一个附加的时变变量k0，当最终控制器输出Tg接近执行器响应边界时，k0接近0，则可以避免积分饱和；将约束系数k0引入到步骤2中来防止连续积分作用导致的积分饱和，新的误差变化率变为
Figure FDA0003762970330000021
基于新的误差变化率，将UDE转矩控制修改为：
Figure FDA0003762970330000022
步骤5：根据约束条件要求，设计约束系数变化率
为了实现步骤4中防积分饱和要求，设计系统输入或最终控制器输出Tg和时变变量k0始终在一个期望的椭圆上移动，约束系数k0和控制器输出Tg之间的关系以描述为：
Figure FDA0003762970330000023
其中，Tgmax是风机最大转矩，Tgmin是风机最小转矩。
步骤6：设计有界UDE控制器最终输出变化率
为了实现期望的椭圆，以Tgn为输入的时变变量k0的变化率表达式如下：
Figure FDA0003762970330000024
其中，k1和k2是正常数。
设计的控制器最终输出转矩Tg的变化率表达式是：
Figure FDA0003762970330000025
其中，
Figure FDA0003762970330000026
是约束区间的中点。
2.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组有界UDE转矩控制方法，其特征在于：所述步骤3中风电机组动力学公式表示如下：
Figure FDA0003762970330000031
Figure FDA0003762970330000032
Figure FDA0003762970330000033
其中，Jr是转子惯性常数，Ta是气动转矩，Kr是转子外部阻尼系数，Tls是低速轴转矩，Jg是发电机惯性常数，Ths是高速轴转矩，Kg是发电机外部阻尼系数，ωg是发电机转速，Tem是电磁转矩。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116201698A (zh) * 2022-11-17 2023-06-02 盛东如东海上风力发电有限责任公司 一种风电机组控制方法及系统

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