基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源技術領域,尤其涉及一種基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控 制方法。
【背景技術】
[0002] 變槳距控制有統(tǒng)一變槳距和獨立變槳距兩種形式。統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)通過執(zhí)行機構 對風力機的三個槳葉實行同步調節(jié)控制。隨著風電機組裝機容量、塔架高度及風輪半徑的 增大,其缺點也暴露出來。首先統(tǒng)一變槳距調節(jié)的前提條件是風輪掃平面內的風速是相同 的,當然這在實際中是不可能的,當兆瓦級的發(fā)電機組運行在額定風速時,風輪掃平面的最 高端與最低端風速的不同使得吸收功率相差20%,這使得統(tǒng)一變槳距沒有優(yōu)勢。其次由于 各個槳葉上承受的風速不同,使得槳葉在旋轉過程中,槳葉所承受的載荷也不相同,而統(tǒng)一 變槳距顯然不能對上述問題進行很好的調節(jié)。獨立變槳距控制技術是在統(tǒng)一變槳距控制的 基礎上發(fā)展起來的,且它的每個槳葉都有一套獨立的變距伺服驅動系統(tǒng)。顯然,獨立變槳距 控制能夠解決上述缺點所引起的問題。
[0003]目前有兩類獨立變槳距控制策略。一種控制策略主要集中在如何進一步減小系統(tǒng) 載荷包括風電系統(tǒng)旋轉部分和非旋轉部分的載荷;另一類控制策略是側重智能控制理論在 風電控制系統(tǒng)中的應用。
[0004] 文獻[1],利用Coleman坐標變換實現(xiàn)了將槳葉上的載荷轉換成輪轂處傾斜方向 和偏航方向的疲勞載荷,并且實現(xiàn)了二者的解耦,簡化了控制器的設計;之后利用Coleman 逆變換實現(xiàn)了槳距角的微調。該控制系統(tǒng)根據隨機風速的變化,利用獨立變槳控制對風力 機槳葉槳距角進行實時調節(jié),以達到減小風電機組關鍵部件栽荷的目的,但是由于PI控制 器主要是減小占主導地位低頻成分的載荷,故對于高頻的載荷的減小不明顯,所以偏航力 矩和傾斜力矩不為零。
[0005] 文獻[2],將獨立變槳控制過程解耦為協(xié)同變槳控制過程和偏差變槳控制過程,并 分別進行協(xié)同變槳控制和偏差變槳控制的理論研究;偏差變槳控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸 出線性系統(tǒng),通過Park坐標變換和逆變換技術,將偏差變槳控制系統(tǒng)解耦為兩個單輸入單 輸出線性系統(tǒng),實現(xiàn)采用經典控制理論設計相關控制器,極大提高獨立變槳控制技術的工 程實用性。
[0006] 文獻[3],提出了基于三維模糊自適應PID控制的獨立變槳距控制技術,并且引入 風速的模糊前饋控制技術,將風機輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。但是對于極端風況給風 機造成的過載荷的問題缺乏研究,且模糊控制的方法依賴于知識規(guī)則,系統(tǒng)的自適應能力 不尚,易造成精度下降。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于,提供一種基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控 制方法,提高自適應能力和控制精度。
[0008] 為解決以上技術問題,本發(fā)明公開了一種基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制 方法,包括:
[0009] 將風機的反饋功率和額定功率通過PI控制器控制輸出風機的統(tǒng)一槳距角;
[0010] 根據實測槳葉的方位角計算得到槳葉方位角權系數(shù);
[0011] 根據所述槳葉方位角權系數(shù)對每個槳葉重新分配期望槳距角;
[0012] 針對每個槳葉的期望槳距角設計魯棒自適應獨立變槳控制器,對風電機組進行獨 立變槳控制。
[0013] 進一步的,所述根據實測槳葉的方位角計算得到槳葉方位角權系數(shù),具體包括:
[0014] 根據實測槳葉的方位角計算得到槳葉方位角權系數(shù)!^,其中,
[0015]
[0016] 式中
丨,R為風輪半徑,H。為輪轂中心距地面的高度,Θ為 第一個槳葉的實測方位角,Θ+120°為第二個槳葉的方位角,Θ+240°為第二個槳葉的方 位角。
[0017] 進一步的,所述根據所述槳葉方位角權系數(shù)對每個槳葉重新分配期望槳距角,具 體包括:
[0018] 根據所述槳葉方位角權系數(shù)&對每個槳葉重新分配期望槳距角,分配后的第i個 槳葉的期望槳距角為/?= /(X/>% / =1,2,3。
[0019] 進一步的,針對每個槳葉的期望槳距角設計魯棒自適應獨立變槳控制器,具體包 括:
[0020] 建立三槳葉水平軸風力機槳葉系統(tǒng)動力學模型為
[0021]
[0022]式中,[β_β_2,UeR3, 為第i個槳葉的實測 槳距角,i= 1,2,3,J(i3_) =diagm]eR3X3, 為第i個槳葉繞其 軸的轉動慣量,
5,Di是與第i個槳葉 的阻尼系數(shù)、槳葉軸承的摩擦系數(shù)及槳葉繞其軸的轉動慣量相關的不確定項,
:,Qi是與第i個槳葉的阻尼系數(shù)變化量、槳葉軸承 的摩擦系數(shù)變化量相關的不確定項,,
.Ttwl為第i個 槳葉所受扭轉力矩和空氣動力產生的擾動力矩的總和,Tdr=[Tdrl,Tdr2,Tdr3]eR3X3,Tdri為 第i個槳葉變槳調節(jié)驅動力矩,CT=diag[CT1,CT2,CT3]eR3X3為正定常對角矩陣矩,u=
[Ui,u2,U3]TGR3為控制量Ui=Idri,Idri為調節(jié)第i個槳葉槳距角到需要的角度時所需要 驅動電機電流;
[0023] 根據所述系統(tǒng)動力學模型設計魯棒自適應獨立變槳控制器為:
[0024]
[0025]式中,seR3為復合誤差向量,且=?+作.,e=βmea_β*,聲==[H.爲f£.及, ?=久-為%:γ為控制參數(shù)
邊是a的估計值
Η古參數(shù),d。為常數(shù),且S4 < 00
[0026] 選取Lyapunov函數(shù)為
.中,β為估計誤差,5= 3;
[0027]根據Lyapunov函數(shù)的導數(shù)1:〇原貝1J,待估參數(shù)的自適應更新率i取為 a= ||5||ψ;
[0028] 根據控制器的平穩(wěn)和有界性,將魯棒自適應獨立變槳控制器修改為
[0029]
,式中,ε為正數(shù)。
[0030] 實施本發(fā)明,具有如下有益效果:本發(fā)明提高了自適應能力和控制精度。
【附圖說明】
[0031] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案,下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1是本發(fā)明提供的基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制方法的一個實施例 的流程示意圖;
[0033] 圖2是基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制方法的原理圖;
[0034] 圖3是葉素微元受力分析圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例?;?本發(fā)明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例,都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0036]圖1是本發(fā)明提供的基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制方法的一個實施例 的流程示意圖,圖2是基于魯棒控制的風電機組獨立變槳控制方法的原理圖,如圖1所示, 包括:
[0037]S101、將風機的反饋功率Pmea和額定功率Pref通過PI控制器控制輸出風機的統(tǒng) 一槳距角。
[0038]S102、根據實測槳葉的方位角計算得到槳葉方位角權系數(shù)。
[0039] 具體的,步驟S102包括步驟:根據實測槳葉的方位角計算得到槳葉方位角權系數(shù) I,其中,
[0040]
[0041] 式^R為風輪半徑,H。為輪轂中心距地面的高度,Θ為 第一個槳葉的實測方位角,
Θ+120°為第二個槳葉的方位角,Θ+240°為第二個槳葉的方 位角。
[0042] 方位角權系數(shù)&的具體計算是采用葉素理論。葉素理論是通過將葉片分為若干 個微小單位,對這些微小單位進行受力分析,求得其相應微元的轉矩,再將所有微元轉矩相 加得到風機的輸出轉矩。風輪在旋轉過程中,葉素微元受力分析見說明書附圖3。其中,風 輪是依靠氣動升力dF來帶動槳葉旋轉,推動葉片繞中心軸轉動的。氣動力dF按垂直和平 行于風輪旋轉面方向分解為法向力dFa和切向力dFu,葉輪轉矩dT由切向力dFu。產生;而 槳葉的拍打振蕩等情況則主要由法向力dFa引起。槳葉的軸向氣動力Fa由下式給出:
[0043]
[0044] 規(guī)定風輪旋轉平面內水平方向軸線為X軸,槳葉逆時針旋轉為正方向,則槳葉的 中心線與X軸之間的夾角Θ即是槳葉的方位角。選定三葉風機中的某一槳葉為基準槳 葉,即槳葉1的方位角作為基準角Θ,則槳葉2的方位角為Θ+120°,槳葉3的方位角為 θ+Μ0°〇
[0045] 受風切變效應影響,忽略因風機型號不同而帶來的槳葉設計形狀的差異,設定每 個槳葉所受的平均風速為其槳葉中心處所受風速,則有:
[0046]
[0047] 式中,V。為距地面高度為Η。處的風速;ViS槳葉的槳葉平均風速,其中,i= 1,2, 3 ;n為風切變指數(shù)。
[0048] 根據槳葉的軸向氣動力公式得到在風機基本參數(shù)的風密度等參數(shù)一定的情況下, 引起槳葉拍打振動的槳葉軸向氣動力Fa與風速V的平方成正比。從而得到在額定風速以 上運行時,保持風機輸出功率穩(wěn)定和減小槳葉拍打振動為目標的槳葉方位角權系數(shù)
[0049] L
」 ^ ―1 a
[0050]S103、根據所述槳葉方位角權系數(shù)對每個槳葉重新分配期望槳距角。
[0051] 具體的,步驟S103包括:
[0052] 根據所述槳葉方位角權系數(shù)&對每個槳葉重新分配期望槳距角,分配后的