CN115573857A - 基于时滞adrc的风电机组变桨距控制方法及控制装置 - Google Patents

基于时滞adrc的风电机组变桨距控制方法及控制装置 Download PDF

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CN115573857A CN202210587902.4A CN202210587902A CN115573857A CN 115573857 A CN115573857 A CN 115573857A CN 202210587902 A CN202210587902 A CN 202210587902A CN 115573857 A CN115573857 A CN 115573857A
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Beijing Huaneng Xinrui Control Technology Co Ltd
Jinggangshan Power Plant of Huaneng Power International Inc
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Abstract

本公开提供一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法及控制装置。所述方法包括：建立风电机组的动力学模型；基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD‑ADRC变桨距控制器；根据所述TD‑ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。本公开基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法，基于时滞ADRC控制技术对具有大迟延特性风电机组变桨距系统进行控制，可以有效避免该系统输入输出信号不同步的问题；采用时滞ADRC的风电机组变桨距系统进行控制，改善了其控制性能，有助于提高风电场的发电效益。

Description

基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法及控制装置
技术领域
本公开属于风电机组技术领域，具体涉及一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法及控制装置。
背景技术
随着风力发电成为发展最快的可再生能源之一，大型风力发电系统模型非线性、外部不确定性高，对其进行准确控制一直是一项具有挑战性的任务。有关数据表明，全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术。为了控制风电机组正常运行期间的功率输出，变桨系统会根据风速的变化进行自动调整变桨角度，进而控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。
风力发电机组的变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速进而控制风机的输出功率并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。为实现准确快速变桨距控制提高风力发电机的发电效率和运行稳定性，提供先进控制手段是十分必要的。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法及控制装置。
本公开的一方面，提供一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法，所述方法包括：
建立风电机组的动力学模型；
基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器；
根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
在一些实施方式中，所述风电机组的动力学模型满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000021
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωg δ β]T
Y＝ωr
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
在一些实施方式中，所述TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure BDA0003666595380000022
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中；
所述基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器，包括：
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000023
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure BDA0003666595380000024
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure BDA0003666595380000031
Figure BDA0003666595380000032
其中，b0＝K/T；
Figure BDA0003666595380000033
为系统输出的估计值；
Figure BDA0003666595380000034
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
Figure BDA0003666595380000035
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure BDA0003666595380000036
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure BDA0003666595380000037
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值；
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure BDA0003666595380000038
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
在一些实施方式中，所述根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制，包括：
根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值；
基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；
将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制。
本公开的另一方面，提供一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制装置，所述装置包括：
建立模块，用于建立风电机组的动力学模型；
设计模块，用于基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器；
执行模块，用于根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
在一些实施方式中，所述风电机组的动力学模型满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000041
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωg δ β]T
Y＝ωr
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
在一些实施方式中，所述TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure BDA0003666595380000042
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中；
所述设计模块，具体还用于：
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000043
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure BDA0003666595380000051
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure BDA0003666595380000052
Figure BDA0003666595380000053
其中，b0＝K/T；
Figure BDA0003666595380000054
为系统输出的估计值；
Figure BDA0003666595380000055
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
Figure BDA0003666595380000056
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure BDA0003666595380000057
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure BDA0003666595380000058
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值；
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure BDA0003666595380000059
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
在一些实施方式中，所述执行模块，具体还用于：
根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值；
基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；
将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制。
本公开的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法及控制装置，基于时滞ADRC控制技术对具有大迟延特性风电机组变桨距系统进行控制，可以有效避免该系统输入输出信号不同步的问题；采用时滞ADRC的风电机组变桨距系统进行控制，改善了其控制性能，有助于提高风电场的发电效益。
附图说明
图1为本公开一实施例的风机的结构示意图；
图2为本公开另一实施例的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法的流程图；
图3为本公开另一实施例的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法的原理图；
图4为本公开另一实施例的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
如图1可见，风电机组的变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速进而控制风机的输出功率并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。风力发电机组通过风力涡轮机叶片将风能转化为机械能，机械能驱动发电机转动产生电能。
本实施例的一方面，如图2所示，涉及一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法S100，所述方法S100包括：
S110、建立风电机组的动力学模型。
具体地，在本步骤中，风电机组通过风力涡轮机叶片将风能转化为机械能，机械能驱动发电机转动产生电能。风机结构如图1所示，风力涡轮机的机械功率由以下方程式表示：
Figure BDA0003666595380000071
其中，ρ为空气密度；R为风力机转子半径；V为风速；Cp为功率系数，其值为桨距角β和叶尖速比λ的非线性函数，该参数由叶尖速度和转子上游的风速计算，表达式为：
Figure BDA0003666595380000072
其中，ωr为转子角速度。
因此，风力涡轮机的机械功率可重写为：
pa＝ωrTa (3)
其中，Ta是气动扭矩，表达式为：
Figure BDA0003666595380000073
Cq(λ；β)为转矩系数，其计算公式为：
Figure BDA0003666595380000074
Cq(λ；β)一般由机组基本信息给定。
Figure BDA0003666595380000075
其中，
Figure BDA0003666595380000076
综上所述，得到风力机非线性模型用广义非线性形式：
Figure BDA0003666595380000077
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωg δ β]T (8)
Y＝ωr (9)
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
风电机组的动力学模型的建立是为了服务于变桨距控制器的设计。通过设计性能优越的控制器来限制风力机的功率进而调节风力机运行的转子转速。
S120、基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器。
具体地，在本步骤中，TD-ADRC变桨距控制器是一种针对具有大迟延特性的工业过程问题而提出的新型控制器，具有良好的控制性能和鲁棒性。TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure BDA0003666595380000081
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中，解决了系统输入信号与输出信号不同步的问题。
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000082
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure BDA0003666595380000083
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure BDA0003666595380000084
其中，b0＝K/T；
Figure BDA0003666595380000085
为系统输出的估计值；
Figure BDA0003666595380000086
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
Figure BDA0003666595380000091
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure BDA0003666595380000092
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y) (15)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure BDA0003666595380000093
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值。
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure BDA0003666595380000094
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
S130、根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
具体地，在本步骤中，一并结合图3，根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值。基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制，并将控制结果反馈至风电场集控系统。风电场集控系统决策层根据桨距控制结果及时调整机组运行策略，保证其稳定运行的基础上尽可能地提高发电效益。
本公开的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法，基于时滞ADRC控制技术对具有大迟延特性风电机组变桨距系统进行控制，可以有效避免该系统输入输出信号不同步的问题；采用时滞ADRC的风电机组变桨距系统进行控制，改善了其控制性能，有助于提高风电场的发电效益。
本公开的另一方面，提供一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制装置100，所述装置100包括：
建立模块110，用于建立风电机组的动力学模型；
设计模块120，用于基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器；
执行模块130，用于根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
在一些实施方式中，所述风电机组的动力学模型满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000101
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωg δ β]T
Y＝ωr
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
在一些实施方式中，所述TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure BDA0003666595380000102
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中；
所述设计模块120，具体还用于：
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure BDA0003666595380000111
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure BDA0003666595380000112
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure BDA0003666595380000113
Figure BDA0003666595380000114
其中，b0＝K/T；
Figure BDA0003666595380000115
为系统输出的估计值；
Figure BDA0003666595380000116
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
Figure BDA0003666595380000117
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure BDA0003666595380000118
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure BDA0003666595380000119
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值；
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure BDA00036665953800001110
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
在一些实施方式中，所述执行模块130，具体还用于：
根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值；
基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；
将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制。
本公开的基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制装置，基于时滞ADRC控制技术对具有大迟延特性风电机组变桨距系统进行控制，可以有效避免该系统输入输出信号不同步的问题；采用时滞ADRC的风电机组变桨距系统进行控制，改善了其控制性能，有助于提高风电场的发电效益。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制方法，其特征在于，所述方法包括：
建立风电机组的动力学模型；
基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器；
根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风电机组的动力学模型满足下述关系式：
Figure FDA0003666595370000011
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωgδ β]T
Y＝ωr
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure FDA0003666595370000021
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中；
所述基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器，包括：
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure FDA0003666595370000022
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure FDA0003666595370000023
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure FDA0003666595370000024
Figure FDA0003666595370000025
其中，b0＝K/T；
Figure FDA0003666595370000026
为系统输出的估计值；
Figure FDA0003666595370000027
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
β1＝2ωo；
Figure FDA0003666595370000028
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure FDA0003666595370000029
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure FDA00036665953700000210
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值；
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure FDA00036665953700000211
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制，包括：
根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值；
基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；
将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制。
5.一种基于时滞ADRC的风电机组变桨距控制装置，其特征在于，所述装置包括：
建立模块，用于建立风电机组的动力学模型；
设计模块，用于基于时滞自抗扰控制算法，设计风电机组的变桨距控制器，得到TD-ADRC变桨距控制器；
执行模块，用于根据所述TD-ADRC变桨距控制器的计算结果，代入所述动力学模型中，执行对所述风电机组变桨距的控制。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述风电机组的动力学模型满足下述关系式：
Figure FDA0003666595370000031
状态向量X、控制输入u和非线性向量G(X)的定义为：
X＝[ωr ωg δ β]T
Y＝ωr
其中，ωr为转子转速，ωg为发电机转速，δ为转矩角，β为桨距角，X为变桨距系统的输出，τβ为桨距角执行的时间常数，ρ为空气密度，Jr为转子惯性，Jg为发电机惯量，Ks为传动弹性系数，Ds为传动阻尼系数，Ng为齿轮箱参数，Dg为发电机转矩。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述TD-ADRC变桨距控制器为在线性ADRC控制器基础上，增加一人工迟延环节
Figure FDA0003666595370000041
以将输入信号同步到扩张状态观测器ESO中；
所述设计模块，具体还用于：
对于一般的一阶惯性纯迟延系统，满足下述关系式：
Figure FDA0003666595370000042
其中，K、T、L分别为增益、时间常数、时延参数；在实际应用中变化不确定，L0为时间延迟的标称值；系统过程的动力学可表示为：
Figure FDA0003666595370000043
据此，将扩张状态观测器设计为：
Figure FDA0003666595370000044
Figure FDA0003666595370000045
其中，b0＝K/T；
Figure FDA0003666595370000046
为系统输出的估计值；
Figure FDA0003666595370000047
为总扰动的估计值；β1和β2为观测器参数，通常表示为：
β1＝2ωo；
Figure FDA0003666595370000048
其中，ωo为ESO的带宽，内循环中估计的未知总扰动补偿为：
Figure FDA0003666595370000049
则将外环控制控制律设计为简单的比例形式：
u0＝kp(r-y)
因此，所述TD-ADRC变桨距控制器的控制作用为：
Figure FDA0003666595370000051
F为风电机组变桨距系统的总扰动；
u0＝kp(δset-δ)，δset为桨距角设定值；
由先前分析可知，b0可由模型的增益和时间常数计算得到，基于ADRC的理论分析可知
Figure FDA0003666595370000052
显然，将TD-ADRC变桨距控制器的设计转化为了带宽的整定，至此，已完成风电机组的变桨距控制器的设计，得到所述TD-ADRC变桨距控制器。
8.根据权利要求5至7任一项所述的装置，其特征在于，所述执行模块，具体还用于：
根据所述风电机组的历史运行数据，预先设置桨距角设定值；
基于所述桨距角设定值，所述TD-ADRC变桨距控制器输出相对应的桨距角；
将所述桨距角代入所述动力学模型，执行对所述风电机组变桨距的控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至4任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，
所述计算机程序被处理器执行时能实现根据权利要求1至4任一项所述的方法。
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