CN115268559A - 用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法 - Google Patents

用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其在跟踪最大可用功率性能方面可有效提升可靠性和效率，并改善电源直流母线的输出电压跟踪性能。其特征在于：获取整流器输出端的电流Id和电压Vc,并同时获取永磁同步发电机的转速Ωt,其通过上述参数通过最大功率点算法构造最佳直流电压参考值Vref，并设计了非线性控制器、便于有效平稳跟踪所需电压Vref，之后通过非线性状态观测器、用于估计电感电流IL，之后将参数Id、Vc、Vref、IL输入控制器，控制器通过非线性控制作用于DC‑DC变换器，强制DC‑DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线。

Description

用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，具体为用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法。
背景技术
现代社会的人口增长和经济发展意味着对能源的强烈需求，需要新的发电厂来满足整体不断增长的能源缺口。为减少对化石能源的依赖，可再生能源技术获得了巨大的发展。风能是化石燃料最有前途的替代品之一，这不仅是因为其成本在化石燃料成本持续上升的同时继续下降，还由于其具有取之不尽用之不竭的优势。风能是一种清洁、负责任且广泛使用的可再生能源。过去几十年，风力发电机装机容量、规模和市场均大幅增加。与此同时，小型风力发电机在独立和并网运营中越来越受欢迎，特别是在孤立的地方。小型风力发电机可帮助用户降低电费，避免因电力线过度延伸到偏远地区而产生的高昂成本，并确保不间断电源以避免公用事业中断。
在过去几年中，变速变桨距直接驱动风能转换系统最有效的解决方案是将永磁同步发电机直接连接到涡轮机(无齿轮箱)，该解决方案具有更高功率密度和效率、更低的维护成本以及更高的可靠性和电网支持能力。最近的研究工作集中在开发变换器原型、功率和效率优化、控制器设计和电网接口方案，以提高风能转换效率和可靠性。且由于风是一种不稳定的不可预测的资源，因此风能转换系统在风力可用时从风中尽可能地提取最大功率至关重要。因此，最大功率点跟踪(MPPT)控制算法在风能转换系统中起着关键的作用。
整个风能转换系统本质上是个复杂的过程，涉及相互连接的空气动力学、机械和电气部件，并整合了难以建模的独特特性，风能转换系统中使用的永磁同步发电机采用的技术与传统同步发电机不同。此外，风能转换系统的永磁同步电机由风提供动力，风是一种不稳定的不可预测的资源，风速模型本身很复杂，并且受许多因素的影响，例如气候特征、地理位置、地上水平和地表地形。此外，考虑整个工作范围对于精确的风能转换系统建模和有效的控制设计至关重要。然而由于风电机组系统的复杂性，精确建模难以实现。且风机具有较强的非线性特征，故在进行控制器设计时通常对风能转换系统的模型进行线性化处理，以降低系统的复杂度，但这样会使得系统严重依赖于所设计工作点，降低控制器的鲁棒性。
为此，急需一种保证控制系统鲁棒性的前提下、同时有效改善风力发电机低风速风况下的功率捕获性能的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其在跟踪基于永磁同步发电机的小型风力发电机的最大可用功率性能方面可有效提升可靠性和效率，并改善电源直流母线的输出电压跟踪性能，且其采用低成本设计，易于实施，便于推广，更利于实际应用。
用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：获取整流器输出端的电流Id和电压Vc、,并同时获取永磁同步发电机的转速Ωt, 其通过上述参数通过最大功率点算法构造最佳直流电压参考值Vref，并设计了非线性控制器、便于有效平稳跟踪所需电压Vref,，之后通过非线性状态观测器、用于估计电感电流IL，之后将参数Id、Vc、Vref、IL输入控制器，控制器通过非线性控制作用于DC-DC变换器，强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线。
其进一步特征在于：
所述的最大功率点跟踪算法，将收敛速度提高到最优，避免局部最小值，并最大限度地减少现有最大功率点跟踪算法的功率振荡，其具体算法如下：
当发电机-转子-功率系数Cp处于最佳值
Figure BDA0003658018020000031
则小型风力发电机产生最大功率。因此，重要的是将转子转速保持在叶尖速比的最佳值λopt，当风速变化时，应调整转子转速以跟随此变化。然后，最佳功率
Figure BDA0003658018020000032
可以从小型风力发电机中提取，最佳叶尖速比定义如下，
Figure BDA0003658018020000033
其中，Ωopt表示小型风机的最佳转速，vw是风速，R是转子半径，ρ为空气密度，A为叶片所覆盖区域。
最佳发电机功率Pmopt和最佳扭矩
Figure BDA0003658018020000034
可分别计算为
Figure BDA0003658018020000035
其中最佳功率控制增益Kopt可以描述为
Figure BDA0003658018020000036
无需进行风速测量，只需将风力发电机扭矩保持在最佳值即可达到最佳功率，
Figure BDA0003658018020000037
其中，
Figure BDA0003658018020000041
表示风机参考扭矩值。风机扭矩的估计值
Figure BDA0003658018020000042
可以计算如下
Figure BDA0003658018020000043
其中，Id和Vc分别是整流器输出端的电流和电压。
设计的所述控制器为非线性控制器，该控制器强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线，其具体流程如下：
(1)定义跟踪误差
首先，定义积分输出电压跟踪误差e1
e1＝-∫(Vc-Vref)dt (6)
然后，输出电压跟踪误差e2为
e2＝Vref-Vc (7)
电流跟踪误差e3，
Figure BDA0003658018020000046
其中，
Figure BDA0003658018020000044
表示电压环路控制器产生的参考电流，Vref表示DC-DC变换器所需的输出电压。
由上述推导可知，积分输出电压跟踪误差e1可以派生为
e&1＝Vc-Vref (9)
e2的误差动态可以表示为
e&2＝-V&c (10)
电流跟踪误差e3的时间导数为
e&3＝I&Lref-I&L (11)
参考电流
Figure RE-GDA0003837307870000051
由下式给出
Figure RE-GDA0003837307870000052
式中，
Figure RE-GDA0003837307870000053
其中，λ1和λ2是实数正数，C是电容。
(2)滑动表面选择
滑动表面S(e1，e2，e3)被选为
Figure RE-GDA0003837307870000054
其中
Figure RE-GDA0003837307870000055
(3)控制方法，控制率u可以表示为
Figure RE-GDA0003837307870000056
其中，
Figure RE-GDA0003837307870000057
非线性观测器的内部计算设置，所述观测器用于估计电感电流IL，首先，将以下状态估计误差定义为
Figure RE-GDA0003837307870000061
然后，所提出的观测器的动态方程为
Figure BDA0003658018020000061
其中，L是电感。误差动态方程可写为
Figure BDA0003658018020000062
结合式(18)，令k2＝-1，则式(17)变为
Figure BDA0003658018020000063
即可用于状态观测。
采用本发明后，在风速介于启动风速和额定风速间时，该最大功率点跟踪控制方案在跟踪基于永磁同步发电机的小型风力发电机的最大可用功率性能方面可有效提升可靠性和效率，并改善电源直流母线的输出电压跟踪性能，且所发明控制方案采用低成本设计，易于实施，便于推广，更利于实际应用。
附图说明
图1为本发明的具体实施流程图。
具体实施方式
用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：获取整流器输出端的电流Id和电压Vc、,并同时获取永磁同步发电机的转速Ωt, 其通过上述参数通过最大功率点算法构造最佳直流电压参考值Vref，并设计了非线性控制器、便于有效平稳跟踪所需电压Vref,，之后通过非线性状态观测器、用于估计电感电流IL，之后将参数Id、Vc、Vref、IL输入控制器，控制器通过非线性控制作用于DC-DC变换器，强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线。
具体实施时：
所述的最大功率点跟踪算法，将收敛速度提高到最优，避免局部最小值，并最大限度地减少现有最大功率点跟踪算法的功率振荡，其具体算法如下：
当发电机-转子-功率系数Cp处于最佳值
Figure BDA0003658018020000071
则小型风力发电机产生最大功率。因此，重要的是将转子转速保持在叶尖速比的最佳值λopt，当风速变化时，应调整转子转速以跟随此变化。然后，最佳功率
Figure BDA0003658018020000072
可以从小型风力发电机中提取，最佳叶尖速比定义如下，
Figure BDA0003658018020000073
其中，Ωopt表示小型风机的最佳转速，vw是风速，R是转子半径，ρ为空气密度，A为叶片所覆盖区域。
最佳发电机功率Pmopt和最佳扭矩
Figure BDA0003658018020000074
可分别计算为
Figure BDA0003658018020000075
其中最佳功率控制增益Kopt可以描述为
Figure BDA0003658018020000076
无需进行风速测量，只需将风力发电机扭矩保持在最佳值即可达到最佳功率，
Figure BDA0003658018020000081
其中，
Figure BDA0003658018020000082
表示风机参考扭矩值。风机扭矩的估计值
Figure BDA0003658018020000083
可以计算如下
Figure BDA0003658018020000084
其中，Id和Vc分别是整流器输出端的电流和电压。
设计的所述控制器为非线性控制器，该控制器强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线，其具体流程如下：
a定义跟踪误差
首先，定义积分输出电压跟踪误差e1
e1＝-∫(Vc-Vref)dt (6)
然后，输出电压跟踪误差e2为
e2＝Vref-Vc (7)
电流跟踪误差e3，
Figure BDA0003658018020000085
其中，
Figure BDA0003658018020000086
表示电压环路控制器产生的参考电流，Vref表示DC-DC变换器所需的输出电压。
由上述推导可知，积分输出电压跟踪误差e1可以派生为
e&1＝Vc-Vref (9)
e2的误差动态可以表示为
e&2＝-V&c (10)
电流跟踪误差e3的时间导数为
e&3＝I&Lref-I&L (11)
参考电流
Figure RE-GDA0003837307870000091
由下式给出
Figure RE-GDA0003837307870000092
式中，
Figure RE-GDA0003837307870000093
其中，λ1和λ2是实数正数，C是电容。
b滑动表面选择
滑动表面S(e1，e2，e3)被选为
Figure RE-GDA0003837307870000094
其中
Figure RE-GDA0003837307870000095
c控制方法，控制率u可以表示为
Figure RE-GDA0003837307870000096
其中，
Figure RE-GDA0003837307870000097
非线性观测器的内部计算设置，所述观测器用于估计电感电流IL，首先，将以下状态估计误差定义为
Figure RE-GDA0003837307870000101
然后，所提出的观测器的动态方程为
Figure BDA0003658018020000101
其中，L是电感。误差动态方程可写为
Figure BDA0003658018020000102
结合式(18)，令k2＝-1，则式(17)变为
Figure BDA0003658018020000103
即可用于状态观测。
采用本发明后，在风速介于启动风速和额定风速间时，该最大功率点跟踪控制方案在跟踪基于永磁同步发电机的小型风力发电机的最大可用功率性能方面可有效提升可靠性和效率，并改善电源直流母线的输出电压跟踪性能，且所发明控制方案采用低成本设计，易于实施，便于推广，更利于实际应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：获取整流器输出端的电流Id和电压Vc、,并同时获取永磁同步发电机的转速Ωt,其通过上述参数通过最大功率点算法构造最佳直流电压参考值Vref，并设计了非线性控制器、便于有效平稳跟踪所需电压Vref,，之后通过非线性状态观测器、用于估计电感电流IL，之后将参数Id、Vc、Vref、IL输入控制器，控制器通过非线性控制作用于DC-DC变换器，强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线。
2.如权利要求1所述的用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其特征在于，所述的最大功率点跟踪算法，将收敛速度提高到最优，避免局部最小值，并最大限度地减少现有最大功率点跟踪算法的功率振荡，其具体算法如下：
当发电机-转子-功率系数Cp处于最佳值
Figure FDA0003658018010000011
则小型风力发电机产生最大功率。因此，重要的是将转子转速保持在叶尖速比的最佳值λopt，当风速变化时，应调整转子转速以跟随此变化。然后，最佳功率
Figure FDA0003658018010000012
可以从小型风力发电机中提取，最佳叶尖速比定义如下，
Figure FDA0003658018010000013
其中，Ωopt表示小型风机的最佳转速，vw是风速，R是转子半径，ρ为空气密度，A为叶片所覆盖区域。
最佳发电机功率Pmopt和最佳扭矩
Figure FDA0003658018010000014
可分别计算为
Figure FDA0003658018010000021
其中最佳功率控制增益Kopt可以描述为
Figure FDA0003658018010000022
无需进行风速测量，只需将风力发电机扭矩保持在最佳值即可达到最佳功率，
Figure FDA0003658018010000023
其中，
Figure FDA0003658018010000024
表示风机参考扭矩值。风机扭矩的估计值
Figure FDA0003658018010000025
可以计算如下
Figure FDA0003658018010000026
其中，Id和Vc分别是整流器输出端的电流和电压。
3.如权利要求1或2所述的用于永磁同步风力发电机的最大功率点跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：设计的所述控制器为非线性控制器，该控制器强制DC-DC变换器的测量输出电压高效、迅速地跟踪由最大功率点跟踪算法生成的期望电压曲线，其具体流程如下：
a定义跟踪误差
首先，定义积分输出电压跟踪误差e1
e1＝-∫(Vc-Vref)dt (6)
然后，输出电压跟踪误差e2为
e2＝Vref-Vc (7)
电流跟踪误差e3，
Figure RE-FDA0003837307860000027
其中，
Figure RE-FDA0003837307860000031
表示电压环路控制器产生的参考电流，Vref表示DC-DC变换器所需的输出电压。
由上述推导可知，积分输出电压跟踪误差e1可以派生为
e&1＝Vc-Vref (9)
e2的误差动态可以表示为
e&2＝-V&c (10)
电流跟踪误差e3的时间导数为
Figure RE-FDA0003837307860000032
参考电流
Figure RE-FDA0003837307860000033
由下式给出
Figure RE-FDA0003837307860000034
式中，
Figure RE-FDA0003837307860000035
其中，λ1和λ2是实数正数，C是电容。
b滑动表面选择
滑动表面S(e1，e2，e3)被选为
Figure RE-FDA0003837307860000036
其中
Figure RE-FDA0003837307860000037
c控制方法，控制率u可以表示为
Figure RE-FDA0003837307860000041
其中，
Figure RE-FDA0003837307860000042
非线性观测器的内部计算设置，所述观测器用于估计电感电流IL，首先，将以下状态估计误差定义为
Figure RE-FDA0003837307860000043
然后，所提出的观测器的动态方程为
Figure RE-FDA0003837307860000044
其中，L是电感。误差动态方程可写为
Figure RE-FDA0003837307860000045
结合式(18)，令k2＝-1，则式(17)变为
Figure RE-FDA0003837307860000046
即可用于状态观测。
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