基于ude的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距魯棒控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距魯棒控制方法。考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的未建模動(dòng)態(tài)和干擾，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型。定義調(diào)節(jié)誤差和期望誤差動(dòng)態(tài)特性。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行改寫，得到槳距角控制器的初步表達(dá)式。引入低通濾波器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的非仿射不確定項(xiàng)和干擾項(xiàng)進(jìn)行逼近，將逼近結(jié)果帶入槳距角控制器的初步表達(dá)式中，進(jìn)行拉普拉斯變換，合并整理后進(jìn)行拉普拉斯反變換得到最終的槳距角控制信號(hào)。該設(shè)計(jì)過程克服了非仿射系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)難的問題，充分考慮系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾，所得控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少，魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng)，能夠提供更加平穩(wěn)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率，為電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。
【專利說明】
基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及變獎(jiǎng)距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高風(fēng)速段 的變獎(jiǎng)距控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源短缺之間的矛盾日益加劇，風(fēng)力發(fā)電在全球范 圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。與其他可再生能源相比，風(fēng)能有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2015年底，全球風(fēng)電 總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到432.419GW。在過去的十年里，中國風(fēng)機(jī)總裝機(jī)容量W高于19%的年增 長率進(jìn)行增長。
[0003] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般分為兩類:定獎(jiǎng)距恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變獎(jiǎng)距變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電 機(jī)。變獎(jiǎng)距變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性好，工作效率高，可W實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，目前已經(jīng)成 為風(fēng)電市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。根據(jù)風(fēng)速的大小，變獎(jiǎng)距變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般工作在Ξ個(gè)區(qū)域， 如圖1所示。區(qū)域1中風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作在區(qū)域2時(shí)，主要控制 任務(wù)是實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。在區(qū)域3,風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)，此時(shí)，需要調(diào)節(jié)獎(jiǎng)距角， 改變作用在風(fēng)輪上氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的小大，從而維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速。
[0004] 當(dāng)變獎(jiǎng)距變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在區(qū)域3時(shí)，其動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)非線性不確定非 仿射系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不確定性導(dǎo)致很難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完全建模，且風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)劇 烈變化的物理量，使得控制信號(hào)無法消除系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)；系統(tǒng)的非線性特性使得傳統(tǒng) 且相對(duì)成熟的線性控制技術(shù)無法使用；系統(tǒng)的非放射特性使得獎(jiǎng)距角信號(hào)W非線性隱含的 方式進(jìn)入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境十分復(fù)雜，極易受到雷 電、冰富、暴雨雪等惡劣天氣的干擾。綜上，高風(fēng)速段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獎(jiǎng)距角控制器的設(shè)計(jì) 是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。
[0005] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變獎(jiǎng)距控制器設(shè)計(jì)一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。目前大多數(shù) 控制器都是基于線性化的技術(shù)，即在多個(gè)工作點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，針對(duì)每個(gè)工作點(diǎn) 分別設(shè)計(jì)控制器，比如變?cè)鲆鍼I控制器、線性二次高斯優(yōu)化(LQG)控制器、增益調(diào)節(jié)控制器 等。此類控制器無法完全消除系統(tǒng)的非線性特性，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作區(qū)域較大，控制器的頻 繁切換導(dǎo)致控制性能不佳。有關(guān)學(xué)者使用模型預(yù)測(cè)控制器(GPC)來應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大工 作區(qū)域，但是，由于GPC過度依賴于輸出功率誤差，當(dāng)輸出功率誤差較大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn) 定。此外，一些非線性控制技術(shù)也被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的獎(jiǎng)距角控制器設(shè)計(jì)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制器、模糊邏輯控制器，但是此類控制器過度依賴于先驗(yàn)知識(shí)，且參數(shù)確定過程復(fù)雜?？?見，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)獎(jiǎng)距角控制器不能很好地應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的非仿射不確定特性，且均未考慮 系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾。
[0006] 近年來，不確定和干擾估計(jì)因子（Uncertainty and Disturbance Estimator， UDE)控制算法成為非線性控制理論的研究熱點(diǎn)，該理論基于任何一個(gè)工程信號(hào)都可W用合 適帶寬的濾波器進(jìn)行逼近。本發(fā)明將該理論引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獎(jiǎng)距角控制當(dāng)中，解決 其模型的非仿射、不確定和環(huán)境干擾等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的非仿射不確定特性，解決現(xiàn)有獎(jiǎng)距角控制器未考慮系統(tǒng) 未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾的問題，本發(fā)明提供一種高風(fēng)速段轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單快捷、魯 棒的變獎(jiǎng)距控制方法，能夠較好的應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的非仿射不確定特性、未建模動(dòng)態(tài)和干擾，提供 更加平穩(wěn)的發(fā)電功率，W滿足大多數(shù)變獎(jiǎng)距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的需求。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng) 距魯棒控制方法，該方法包括W下步驟：
[0009] (1)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行軸系結(jié)構(gòu)分析，考慮系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)和干擾，建立風(fēng)力發(fā) 電機(jī)動(dòng)態(tài)模型。
[0010] (2)確定期望的誤差動(dòng)態(tài)特性，使得調(diào)節(jié)誤差W指數(shù)收斂的形式收斂到零;所述調(diào) 節(jié)誤差定義為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速之差；
[0011] (3)將步驟1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型分解為已知項(xiàng)、非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)、 獎(jiǎng)距角控制項(xiàng)；
[0012] (4)將分解后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型和期望的誤差動(dòng)態(tài)特性相結(jié)合，得到獎(jiǎng)距角 初步表達(dá)式；
[0013] (5)使用低通濾波器對(duì)非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)進(jìn)行逼近，得到非仿射不確定 及未知干擾項(xiàng)在時(shí)域中的估計(jì)值；
[0014] (6)將步驟5得到的估計(jì)值帶入獎(jiǎng)距角初步表達(dá)式，經(jīng)過拉普拉斯變換和反變化， 得到獎(jiǎng)距角最終表達(dá)式，從而實(shí)現(xiàn)獎(jiǎng)距角的魯棒控制，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤額定轉(zhuǎn)速， 輸出功率維持在額定功率附近。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟2中，期望的誤差動(dòng)態(tài)特性采用如下形式：
[0016] e = fe，其中 k<0
[0017] 其中，調(diào)節(jié)誤差e = ω d- ω r，ω d為額定轉(zhuǎn)速，ω r為風(fēng)輪角速度。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟3中，分解后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型如下：
[0022] 其中，g(wr)為已知項(xiàng)，^?,，乂也*)為非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)，峽1獎(jiǎng)距角控 制項(xiàng)，ωτ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Jt表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tg表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Ta表示氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Kt是阻尼 系數(shù)，t表示時(shí)間，Δ ( 〇r，t)表示未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾。
[0023] 進(jìn)一步地，所述步驟4中，所述獎(jiǎng)距角初步表達(dá)式為：
[0024] 0 = -g( c〇r)+f( "r,v,0,t)+ke。
[0025] 進(jìn)一步地，所述步驟5中，所述低通濾波器的帶寬能夠覆蓋所要逼近的工程信號(hào)的 所有頻率。
[00%] 進(jìn)一步地，所述獎(jiǎng)距角最終表達(dá)式為：
[0027]
[002引其中Gf(s)為所選擇的低通濾波器，L-1( ·)表示拉普拉斯反變換。
[0029] 進(jìn)一步地，所述非仿射不確定和干擾項(xiàng)中的非仿射部分指的是氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不確定 和干擾部分指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是:在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模時(shí)，考慮系統(tǒng)未建模部分及環(huán) 境干擾，使得所設(shè)計(jì)的控制器能夠更好地抵消掉系統(tǒng)的非線性部分，對(duì)于干擾具有較好的 魯棒性；引入帶寬合適的低通濾波器后，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的非仿射不確定干擾項(xiàng)進(jìn)行逼 近，克服了非仿射系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)難的問題。該獎(jiǎng)距角控制器設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便，所得控制器結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少，魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng)，與傳統(tǒng)PI控制器相比，本方法能夠提 供更加平穩(wěn)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率，為電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。
【附圖說明】
[0031] 圖1變獎(jiǎng)距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大致運(yùn)行階段圖；
[0032] 圖2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3 UDE原理圖；
[0034] 圖4基于UDE原理的控制器設(shè)計(jì)流程圖；
[0035] 圖5 MATALB/SIMULINK仿真中所用端流風(fēng)有效風(fēng)速曲線圖；
[0036] 圖6 MATALB/SIMULINK仿真中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線圖；
[0037] 圖7 MATALB/SIMULINK仿真中風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差曲線圖；
[0038] 圖8 GH Bladed仿真中所用端流風(fēng)有效風(fēng)速曲線圖；
[0039] 圖9細(xì)Bladed仿真中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線圖；
[0040] 圖10 GH Bladed仿真中發(fā)電功率曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0042] 本發(fā)明提供的一種基于不確定性和干擾估計(jì)因子的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控 制方法，包括下述步驟：
[0043] 步驟1，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖2所示，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù) 學(xué)建模，得到如下方程組：
[0044]
[0045] 其中Jg:發(fā)電機(jī)慣量(kg · nf)，Jr:風(fēng)輪慣量(kg · nf)，
[0046] ω。風(fēng)輪角速度(rad/s)，wg:發(fā)電機(jī)角速度(rad/s)，
[0047] Kg:發(fā)電機(jī)外部阻尼(N · m/(rad · s))，Kr:風(fēng)輪外部阻尼(N · m/(rad · s))，
[004引 Ta:氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N · m)Jhs:高速側(cè)轉(zhuǎn)矩(N · m)，
[0049] Tis:低速側(cè)轉(zhuǎn)矩(N · m)，Tem:發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(N · m)，
[(Κ)加 ]化:齒輪箱傳動(dòng)比
[0051]對(duì)上述方程組進(jìn)行整理，并考慮系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)和干擾，可得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的動(dòng)態(tài)特性：
[0化2]
[0053] 其中
Δ(巧.，〇為系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)和干擾
[0054] 進(jìn)一步， /為風(fēng)速，義=·^為葉尖速比，R為風(fēng)輪半徑，Ρ為 V 空氣密度，β為獎(jiǎng)距角?！拨?λ，β)是風(fēng)能利用系數(shù)，表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的 能力，其近似表達(dá)式為：
[0057]步驟2，為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速ω d，定義調(diào)節(jié)誤差e = ω d- ω r，本 發(fā)明的期望誤差動(dòng)態(tài)特性可采用如下形式：
[0化引 ? =挺，其中k<0
[0059] 易知誤差系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠收斂到wd。
[0060] 步驟3,將步驟1中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行改寫：
[0061]
[0062] 改寫的目的是，將控制信號(hào)獎(jiǎng)距角單獨(dú)拿出，有利于控制器的設(shè)計(jì)。將上式與步驟 2中的期望誤差動(dòng)態(tài)特性相互結(jié)合，可W得到
[0063] g( c〇r)-f( Wr,0,v,t)+0 = ke
[0064] 其中
是系統(tǒng)的 非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)。由上式可W得到獎(jiǎng)距角的初步表達(dá)式為：
[00化]0 = -g( c〇r)+f( "r,v,0,t)+ke
[0066]步驟4,根據(jù)不確定和干擾估計(jì)因子化DE)原理，選擇一個(gè)合適帶寬的嚴(yán)格正則穩(wěn) 定的低通濾波器Gf(s)對(duì)步驟3中的信號(hào)f( Or,β)進(jìn)行逼近，所謂UDE原理，是指任何一個(gè)工 程信號(hào)都可W用合適帶寬的濾波器進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，如圖3所示。記低通濾波器Gf(s)的沖擊響應(yīng) 為gf(t)，并運(yùn)用改寫后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，則有下式成立：
[0067]
[0068] 其中，表示卷積。運(yùn)里的合適帶寬指的是濾波器Gf(s)的帶寬可W覆蓋要逼近 信號(hào)^?,，乂，0，〇的所有頻率。所^，在帶寬范圍內(nèi)屜(3)約等于1，旨加)為沖擊函數(shù)，則有 下式成立：
[0069] ]'(、ω,.、ν、β，?)= f {(〇,.，、'，β、0
[0070] 上式表明在帶寬范圍內(nèi)，信號(hào)./(巧.,ν,Α.Ο可W無限逼近f ( ωτ,ν,β,?)。
[0071] 步驟5，用步驟4中的/(巧.，V，反?)，即用咕.+封巧.）+公)*斬(0代替步驟 3中獎(jiǎng)距角 初步表達(dá)式中的f(ωr，v，β，t)，則可W得到：
[0072] 片=-《(巧.）-^咕 +《(巧.）+ /?) ';: 乂，（0 -h /((,
[0073] 將上式進(jìn)行拉普拉斯變換可得：
[0074] 0(S)=-g( Wr(S)) + (S〇r(S)+g( Wr(s))+0(s))Gf(s)+ke(s)
[00巧]整理上式可得：
[0079] 上式即為最終得到的獎(jiǎng)距角控制器表達(dá)式。在上述控制信號(hào)的作用下，系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)誤差滿足步驟2中的期望動(dòng)態(tài)誤差特性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是漸進(jìn)穩(wěn)定的，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 工作狀態(tài)會(huì)維持在額定轉(zhuǎn)速附近。
[0080] 實(shí)施例
[0081 ]本實(shí)施例使用丹麥Ris Φ實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MATLAB/SIMULINK風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊，對(duì) 本發(fā)明設(shè)及的算法的魯棒性進(jìn)行驗(yàn)證。
[0082] 該風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組模型有關(guān)參數(shù)如下：
[0083]
[0084] 附圖1是變獎(jiǎng)距變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大致運(yùn)行工作區(qū)，分為Ξ個(gè)區(qū)域，區(qū)域1中 風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作在區(qū)域2時(shí)，主要控制任務(wù)是實(shí)現(xiàn)最大功率 跟蹤。在區(qū)域3,風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)，此時(shí)，需要調(diào)節(jié)獎(jiǎng)距角，改變作用在風(fēng)輪上氣 動(dòng)轉(zhuǎn)矩的小大，從而維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速，即維持發(fā)電功率平穩(wěn)，高質(zhì)量發(fā)電利 于并網(wǎng)，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
[0085] 附圖2是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)軸系模型，在具體實(shí)施例中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量Jr = 4950000kg · m2,風(fēng)輪外部阻尼Kr = 45.52N · m · rad-i · S-1，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90kg · m2,發(fā)電機(jī)外部阻尼Kg = 0.4N · m · rad-i · s-i，Jt、Kt和Tg按二、A',二於+".,;欠-.心.和 Tg = ngTem計(jì)算得到。
[0086] 附圖3是UDE原理圖。任何一個(gè)工程信號(hào)X經(jīng)過一個(gè)帶寬合適正則穩(wěn)定的低通濾波 器Gf (S)，若Gf (S)的帶寬完全覆蓋X的頻率，則存在1 = JT。
[0087] 附圖4是基于不確定和干擾估計(jì)因子的風(fēng)力發(fā)電機(jī)獎(jiǎng)距角魯棒控制方法設(shè)計(jì)流程 圖。在經(jīng)典風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸系模型中加入未建模動(dòng)態(tài)和干擾項(xiàng)A (Qr，t);根據(jù)定義的期 望誤差動(dòng)態(tài)特性重寫風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，得到獎(jiǎng)距角控制器的初步表達(dá)式;選取帶寬 合適的穩(wěn)定正則低通濾波器Gf(s)對(duì)非仿射未知干擾項(xiàng)f(ωr，β，v，t)進(jìn)行逼近，所述合適帶 寬指的是Gf(s)的帶寬覆蓋信號(hào)f(ωr，β，v，t)的頻率;進(jìn)行拉普拉斯變換得帶最終的獎(jiǎng)距角 控制器表達(dá)式。在此獎(jiǎng)距角控制信號(hào)的作用下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速將維持在額定值，即發(fā)電機(jī)輸出功 率維持在額定值。
[0088] 在具體的實(shí)施案例中，低通濾波器Gf(s)和未建模動(dòng)態(tài)干擾項(xiàng)Δ ( 〇r，t)分別取為
[0089]
[0090] A(c〇r，t) = 10 · (C〇r+c〇r2)+i〇〇 . sin(化t)+100 · l(t-30)
[0091] 在MATLAB/SIMULINK平臺(tái)下對(duì)獎(jiǎng)距角控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)，采用的仿真步 長為0.01s。對(duì)控制器中參數(shù)k和濾波器帶寬τ進(jìn)行調(diào)試，可W得到當(dāng)仿真效果比較理想時(shí)， 此兩個(gè)參數(shù)的取值為:k = -〇.4，T = 〇.〇45。
[0092] 附圖5是仿真中所用的端流風(fēng)有效風(fēng)速圖。該端流風(fēng)亦由丹麥RiS Φ實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的 風(fēng)模塊產(chǎn)生。
[0093] 附圖6是仿真產(chǎn)生的風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速圖。可見，在干擾較大和端流風(fēng)的情 況下，風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速仍能很好地跟蹤額定轉(zhuǎn)速，說明本方法的調(diào)節(jié)性能和魯棒性能都比較 好。
[0094] 圖7是仿真產(chǎn)生的調(diào)節(jié)誤差?？梢姡{(diào)節(jié)誤差先是W指數(shù)收斂的形式迅速收斂至0 值附近，隨后在0值附近小范圍波動(dòng)。
[00%]在本實(shí)施案例中，為了更好地說明本方法的實(shí)際工程價(jià)值，能夠提供更加平穩(wěn)的 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率，將本方法與工業(yè)上流行的變?cè)鲆鍼I控制器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)專業(yè)仿真軟 件GH Bladed上進(jìn)行仿真比較。實(shí)驗(yàn)中所用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型參數(shù)如下表：
[0096]

[0098] ~圖8是GH Bladed仿真中所用端流風(fēng)有效風(fēng)速曲線圖，該端流風(fēng)縱向端流強(qiáng)度、橫 向端流強(qiáng)度和垂直端流強(qiáng)度分別為：10% ,8%和5%。通過調(diào)試，兩個(gè)控制參數(shù)取為:4 =- 0.30，τ = 4.0。仿真中所用變?cè)鲆鍼I控制器為某風(fēng)電公司正在使用的控制器，采樣周期為 0.04s。
[0099] 圖9是細(xì)Bladed仿真中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線圖。圖10是細(xì)Bladed仿真中發(fā)電功率曲線 圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于，該方法包括w下步 驟： (1) 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行軸系結(jié)構(gòu)分析，考慮系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)和干擾，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī) 動(dòng)態(tài)模型。 (2) 確定期望的誤差動(dòng)態(tài)特性，使得調(diào)節(jié)誤差W指數(shù)收斂的形式收斂到零;所述調(diào)節(jié)誤 差定義為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速之差； (3) 將步驟1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型分解為已知項(xiàng)、非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)、獎(jiǎng)距 角控制項(xiàng)； (4) 將分解后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型和期望的誤差動(dòng)態(tài)特性相結(jié)合，得到獎(jiǎng)距角初步 表達(dá)式； (5) 使用低通濾波器對(duì)非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)進(jìn)行逼近，得到非仿射不確定及未 知干擾項(xiàng)在時(shí)域中的估計(jì)值； (6) 將步驟5得到的估計(jì)值帶入獎(jiǎng)距角初步表達(dá)式，經(jīng)過拉普拉斯變換和反變化，得到 獎(jiǎng)距角最終表達(dá)式，從而實(shí)現(xiàn)獎(jiǎng)距角的魯棒控制，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤額定轉(zhuǎn)速，輸出 功率維持在額定功率附近。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述步驟2中，期望的誤差動(dòng)態(tài)特性采用如下形式： e = &?,其中 k<0 其中，調(diào)節(jié)誤差e = Wd-Wr，COd為額定轉(zhuǎn)速，Or為風(fēng)輪角速度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述步驟3中，分解后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型如下：其中，g(Wr)為已知項(xiàng)，f(ωr，V，β，t)為非仿射不確定及未知干擾項(xiàng)，β為獎(jiǎng)距角控制 項(xiàng)，ω r為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Jt表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tg表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Ta表示氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Kt是阻尼系 數(shù)，t表示時(shí)間，Δ ( Or, t)表示未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述步驟4中，所述獎(jiǎng)距角初步表達(dá)式為： 0 = -g( c〇r)+f (c〇r，v,0,t)+ke。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述步驟5中，所述低通濾波器的帶寬能夠覆蓋所要逼近的工程信號(hào)的所有頻率。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述獎(jiǎng)距角最終表達(dá)式為：其中Gf(s)為所選擇的低通濾波器，[1( ·)表示拉普拉斯反變換。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于UDE的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變獎(jiǎng)距魯棒控制方法，其特征在于， 所述非仿射不確定和干擾項(xiàng)中的非仿射部分指的是氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不確定和干擾部分指的是風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的未建模動(dòng)態(tài)和環(huán)境干擾。
【文檔編號(hào)】F03D7/04GK105971819SQ201610291984
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】楊秦敏, 焦緒國, 羅清順, 范博, 王旭東, 陳積明, 盧建剛
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)