基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變槳距控制有統(tǒng)一變槳距和獨(dú)立變槳距兩種形式。統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對(duì)風(fēng)力機(jī)的三個(gè)槳葉實(shí)行同步調(diào)節(jié)控制。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量、塔架高度及風(fēng)輪半徑的 增大，其缺點(diǎn)也暴露出來(lái)。首先統(tǒng)一變槳距調(diào)節(jié)的前提條件是風(fēng)輪掃平面內(nèi)的風(fēng)速是相同 的，當(dāng)然這在實(shí)際中是不可能的，當(dāng)兆瓦級(jí)的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪掃平面的最 高端與最低端風(fēng)速的不同使得吸收功率相差20%，這使得統(tǒng)一變槳距沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。其次由于 各個(gè)槳葉上承受的風(fēng)速不同，使得槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。獨(dú)立變槳距控制技術(shù)是在統(tǒng)一變槳距控制的 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，且它的每個(gè)槳葉都有一套獨(dú)立的變距伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。顯然，獨(dú)立變槳距 控制能夠解決上述缺點(diǎn)所引起的問(wèn)題。
[0003]目前有兩類獨(dú)立變槳距控制策略。一種控制策略主要集中在如何進(jìn)一步減小系統(tǒng) 載荷包括風(fēng)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分的載荷；另一類控制策略是側(cè)重智能控制理論在 風(fēng)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0004] 文獻(xiàn)[1]，利用Coleman坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了將槳葉上的載荷轉(zhuǎn)換成輪轂處傾斜方向 和偏航方向的疲勞載荷，并且實(shí)現(xiàn)了二者的解耦，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)；之后利用Coleman 逆變換實(shí)現(xiàn)了槳距角的微調(diào)。該控制系統(tǒng)根據(jù)隨機(jī)風(fēng)速的變化，利用獨(dú)立變槳控制對(duì)風(fēng)力 機(jī)槳葉槳距角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以達(dá)到減小風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件栽荷的目的，但是由于PI控制 器主要是減小占主導(dǎo)地位低頻成分的載荷，故對(duì)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(xiàn)[2]，將獨(dú)立變槳控制過(guò)程解耦為協(xié)同變槳控制過(guò)程和偏差變槳控制過(guò)程，并 分別進(jìn)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(gè)多輸入多輸 出線性系統(tǒng)，通過(guò)Park坐標(biāo)變換和逆變換技術(shù)，將偏差變槳控制系統(tǒng)解耦為兩個(gè)單輸入單 輸出線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)相關(guān)控制器，極大提高獨(dú)立變槳控制技術(shù)的工 程實(shí)用性。
[0006] 文獻(xiàn)[3]，提出了基于三維模糊自適應(yīng)PID控制的獨(dú)立變槳距控制技術(shù)，并且引入 風(fēng)速的模糊前饋控制技術(shù)，將風(fēng)機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。但是對(duì)于極端風(fēng)況給風(fēng) 機(jī)造成的過(guò)載荷的問(wèn)題缺乏研究，且模糊控制的方法依賴于知識(shí)規(guī)則，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力 不尚，易造成精度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控 制方法，提高自適應(yīng)能力和控制精度。
[0008] 為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制 方法，包括：
[0009] 將風(fēng)機(jī)的反饋功率和額定功率通過(guò)PI控制器控制輸出風(fēng)機(jī)的統(tǒng)一槳距角；
[0010] 根據(jù)實(shí)測(cè)槳葉的方位角計(jì)算得到槳葉方位角權(quán)系數(shù)；
[0011] 根據(jù)所述槳葉方位角權(quán)系數(shù)對(duì)每個(gè)槳葉重新分配期望槳距角；
[0012] 針對(duì)每個(gè)槳葉的期望槳距角設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行獨(dú) 立變槳控制。
[0013] 進(jìn)一步的，所述根據(jù)實(shí)測(cè)槳葉的方位角計(jì)算得到槳葉方位角權(quán)系數(shù)，具體包括：
[0014] 根據(jù)實(shí)測(cè)槳葉的方位角計(jì)算得到槳葉方位角權(quán)系數(shù)!^，其中，
[0015]
[0016] 式中
丨，R為風(fēng)輪半徑，H。為輪轂中心距地面的高度，Θ為 第一個(gè)槳葉的實(shí)測(cè)方位角，Θ+120°為第二個(gè)槳葉的方位角，Θ+240°為第二個(gè)槳葉的方 位角。
[0017] 進(jìn)一步的，所述根據(jù)所述槳葉方位角權(quán)系數(shù)對(duì)每個(gè)槳葉重新分配期望槳距角，具 體包括：
[0018] 根據(jù)所述槳葉方位角權(quán)系數(shù)&對(duì)每個(gè)槳葉重新分配期望槳距角，分配后的第i個(gè) 槳葉的期望槳距角為/?= /(X/>% / =1,2,3。
[0019] 進(jìn)一步的，針對(duì)每個(gè)槳葉的期望槳距角設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器，具體包 括：
[0020] 建立三槳葉水平軸風(fēng)力機(jī)槳葉系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為
[0021]
[0022]式中，[β_β_2,UeR3, 為第i個(gè)槳葉的實(shí)測(cè) 槳距角，i= 1，2,3,J(i3_) =diagm]eR3X3, 為第i個(gè)槳葉繞其 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，
5，Di是與第i個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)的不確定項(xiàng)，
:，Qi是與第i個(gè)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(guān)的不確定項(xiàng)，，
.Ttwl為第i個(gè) 槳葉所受扭轉(zhuǎn)力矩和空氣動(dòng)力產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩的總和，Tdr=[Tdrl，Tdr2,Tdr3]eR3X3,Tdri為 第i個(gè)槳葉變槳調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，CT=diag[CT1,CT2,CT3]eR3X3為正定常對(duì)角矩陣矩，u=
[Ui,u2,U3]TGR3為控制量Ui=Idri，Idri為調(diào)節(jié)第i個(gè)槳葉槳距角到需要的角度時(shí)所需要 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流；
[0023] 根據(jù)所述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器為：
[0024]
[0025]式中，seR3為復(fù)合誤差向量，且=?+作.，e=βmea_β*，聲==[H.爲(wèi)f￡.及， ?=久-為%:γ為控制參數(shù)
邊是a的估計(jì)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(jì)誤差，5= 3;
[0027]根據(jù)Lyapunov函數(shù)的導(dǎo)數(shù)1：〇原貝1J，待估參數(shù)的自適應(yīng)更新率i取為 a= ||5||ψ;
[0028] 根據(jù)控制器的平穩(wěn)和有界性，將魯棒自適應(yīng)獨(dú)立變槳控制器修改為
[0029]
，式中，ε為正數(shù)。
[0030] 實(shí)施本發(fā)明，具有如下有益效果：本發(fā)明提高了自適應(yīng)能力和控制精度。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)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(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法的一個(gè)實(shí)施例 的流程示意圖；
[0033] 圖2是基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)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(shí)施方式】
[0035] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0036]圖1是本發(fā)明提供的基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法的一個(gè)實(shí)施例 的流程示意圖，圖2是基于魯棒控制的風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法的原理圖，如圖1所示， 包括：
[0037]S101、將風(fēng)機(jī)的反饋功率Pmea和額定功率Pref通過(guò)PI控制器控制輸出風(fēng)機(jī)的統(tǒng) 一槳距角。
[0038]S102、根據(jù)實(shí)測(cè)槳葉的方位角計(jì)算得到槳葉方位角權(quán)系數(shù)。
[0039] 具體的，步驟S102包括步驟：根據(jù)實(shí)測(cè)槳葉的方位角計(jì)算得到槳葉方位角權(quán)系數(shù) I，其中，
[0040]
[0041] 式^R為風(fēng)輪半徑，H。為輪轂中心距地面的高度，Θ為 第一個(gè)槳葉的實(shí)測(cè)方位角，
Θ+120°為第二個(gè)槳葉的方位角，Θ+240°為第二個(gè)槳葉的方 位角。
[0042] 方位角權(quán)系數(shù)&的具體計(jì)算是采用葉素理論。葉素理論是通過(guò)將葉片分為若干 個(gè)微小單位，對(duì)這些微小單位進(jìn)行受力分析，求得其相應(yīng)微元的轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩相 加得到風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉素微元受力分析見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖3。其中，風(fēng) 輪是依靠氣動(dòng)升力dF來(lái)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的。氣動(dòng)力dF按垂直和平 行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面方向分解為法向力dFa和切向力dFu，葉輪轉(zhuǎn)矩dT由切向力dFu。產(chǎn)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(dòng)力Fa由下式給出：
[0043]
[0044] 規(guī)定風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)水平方向軸線為X軸，槳葉逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(fēng)機(jī)中的某一槳葉為基準(zhǔn)槳 葉，即槳葉1的方位角作為基準(zhǔn)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(fēng)切變效應(yīng)影響，忽略因風(fēng)機(jī)型號(hào)不同而帶來(lái)的槳葉設(shè)計(jì)形狀的差異，設(shè)定每 個(gè)槳葉所受的平均風(fēng)速為其槳葉中心處所受風(fēng)速，則有：
[0046]
[0047] 式中，V。為距地面高度為Η。處的風(fēng)速；ViS槳葉的槳葉平均風(fēng)速，其中，i= 1，2, 3 ;n為風(fēng)切變指數(shù)。
[0048] 根據(jù)槳葉的軸向氣動(dòng)力公式得到在風(fēng)機(jī)基本參數(shù)的風(fēng)密度等參數(shù)一定的情況下， 引起槳葉拍打振動(dòng)的槳葉軸向氣動(dòng)力Fa與風(fēng)速V的平方成正比。從而得到在額定風(fēng)速以 上運(yùn)行時(shí)，保持風(fēng)機(jī)輸出功率穩(wěn)定和減小槳葉拍打振動(dòng)為目標(biāo)的槳葉方位角權(quán)系數(shù)
[0049] L
」 ^ ―1 a
[0050]S103、根據(jù)所述槳葉方位角權(quán)系數(shù)對(duì)每個(gè)槳葉重新分配期望槳距角。
[0051] 具體的，步驟S103包括：
[0052] 根據(jù)所述槳葉方位角權(quán)系數(shù)&對(duì)每個(gè)槳葉重新分配期望槳距角，分配后的