基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大型風(fēng)電機(jī)組控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電 機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，自然資源日漸枯竭，加之受日益嚴(yán)峻的環(huán)境影響，能源危機(jī)已經(jīng)顯現(xiàn)。而 無論是從技術(shù)的成熟度、市場(chǎng)規(guī)模，還是從價(jià)格成本的角度，風(fēng)力發(fā)電都是目前最有應(yīng)用前 景的新能源技術(shù)之一。采用變槳控制的風(fēng)電機(jī)組以其風(fēng)能利用系數(shù)高、結(jié)構(gòu)靈活、風(fēng)速運(yùn)行 區(qū)域廣等優(yōu)勢(shì)成為大型風(fēng)電機(jī)組的主要研究方向。
[0003] 風(fēng)電機(jī)組的變槳控制廣泛采用簡單且性能可靠的常規(guī)PID控制方法，但PID控制的 參數(shù)恒定，對(duì)于復(fù)雜非線性時(shí)變的變槳控制系統(tǒng)有著較大的不確定性，不能獲得理想的變 槳反饋控制目標(biāo)。為解決常規(guī)PID變槳控制系統(tǒng)存在的相關(guān)缺陷，國內(nèi)外學(xué)者嘗試著將各種 先進(jìn)的控制方法使用到大型風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)中，如魯棒控制、最優(yōu)化控制、滑?？?制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。
[0004] 目前，已有風(fēng)電機(jī)組的各種先進(jìn)變槳控制方式和策略都有其針對(duì)性，但同時(shí)也存 在一定程度的局限性或不足。已有眾多研究者通過在變槳系統(tǒng)中加注一階傳動(dòng)鏈阻尼來進(jìn) 行最優(yōu)化控制，但最優(yōu)控制方法的實(shí)現(xiàn)都是以建立精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行的，而實(shí)際 風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)是復(fù)雜時(shí)變的非線性系統(tǒng)，是很難建立精確的控制系統(tǒng)模型。也有研究 者通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出一種多自由度獨(dú)立變槳控制系 統(tǒng)，建立多自由度的線性化模型來完成風(fēng)電機(jī)組的獨(dú)立變槳控制，但是沒有充分考慮到風(fēng) 電傳動(dòng)系統(tǒng)非線性的耦合相關(guān)性。還有研究者通過分析風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)多輸入多輸出變 量之間的相關(guān)聯(lián)系，利用線性二次高斯函數(shù)估計(jì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)反饋給控制器，來設(shè)計(jì)多變量最 優(yōu)化獨(dú)立變槳控制器，并通過仿真證明其控制策略的良好性能，但是沒有考慮因風(fēng)剪切、塔 影效應(yīng)和湍流等產(chǎn)生不平衡載荷對(duì)風(fēng)電機(jī)組受力情況的影響。因而，有必要分析風(fēng)電機(jī)組 運(yùn)行過程中的綜合受力情況，改善風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，以此來穩(wěn)定風(fēng)電機(jī) 組的輸出功率，降低槳葉、機(jī)艙、塔架等風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立 變槳控制方法，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化作用，逼近變槳系統(tǒng)未知的非線性函數(shù)，通過 Lyapuno V方法導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)率，在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值來改善獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)性能。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立 變槳控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一:采集風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，功率控制器根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行變槳控制和發(fā)電機(jī)電 磁轉(zhuǎn)矩控制的計(jì)算，得到風(fēng)電機(jī)組的統(tǒng)一槳距角和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，然后將電磁轉(zhuǎn)矩信 號(hào)送入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)，平衡風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；
[0008] 步驟二:計(jì)算風(fēng)電機(jī)組三個(gè)槳葉根部彎矩及槳葉方位角；
[0009] 步驟三:對(duì)三個(gè)槳葉根部彎矩進(jìn)行Coleman坐標(biāo)變換，得到固定坐標(biāo)系下的風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組俯仰彎矩和偏航彎矩；
[0010] 步驟四：以俯仰彎矩和偏航彎矩作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 自適應(yīng)控制導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)率，在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值來改善獨(dú)立變槳系統(tǒng)的葉根彎 矩，再經(jīng)過Coleman逆變換變換成不同槳葉的優(yōu)化槳距角；
[0011] 步驟五:將步驟一得到的統(tǒng)一槳距角和步驟四得到的優(yōu)化槳距角相加，得到獨(dú)立 變槳控制槳距角，之后將優(yōu)化槳距角送入變槳執(zhí)行單元，完成風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳的執(zhí)行動(dòng) 作。
[0012]上述基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法，所述步驟一中，風(fēng)輪的 模型的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0014]其中，J為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，Qr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；
[0015]統(tǒng)一槳距角的表達(dá)式如下所示：
[0017] 其中：Θ為槳距角，ξ為變槳執(zhí)行系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，0r槳距角的設(shè)定值，ω為無阻尼 自然頻率。
[0018] 上述基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法，所述步驟二中，三個(gè)槳 葉根部彎矩隊(duì)1具2具3的計(jì)算公式如下：
[0022]其中，hMz為揮舞彎矩對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)，kMz為揮舞彎矩對(duì)槳距角的導(dǎo)數(shù)，％為風(fēng)輪揮 舞速度，{I i = 1，2，3}為三個(gè)槳葉給定槳距角，{Vi I i = 1，2，3}為風(fēng)輪面上的有效風(fēng)速； [0023]槳葉方位角Φ的計(jì)算公式如下：{機(jī)I i = l，2,3}為：
[0027]上述基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法，所述步驟三中，機(jī)艙的 運(yùn)動(dòng)方程為：

[0033]其中，hMX為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)ax為軸向力，F(xiàn)sd為側(cè)向力，H為機(jī)艙中心的高 度，M為風(fēng)輪總質(zhì)量，S為塔架剛度，Sncid為塔基前后擾度，snay為塔基左右擾度，D為阻尼系數(shù)； [0034] 獨(dú)立變槳控制單元中風(fēng)電機(jī)組的葉根彎矩信號(hào)^2具3，通過0)1_&11坐標(biāo)變換 為固定坐標(biāo)軸下的俯仰彎矩M pitdl和偏航彎矩Myaw，具體如下所示：
[0036]其中:Φ為風(fēng)輪方位角；
[0037]經(jīng)過Coleman逆變換變換成三個(gè)不同槳葉的優(yōu)化槳距角Θ/，公式如下所示：
[0039]上述基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制方法，所述步驟四中：假定 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制的徑向基函數(shù)為11=[111，112，一，^]'那么高斯函數(shù)匕為 ：
[0041] 其中，&為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，m為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，bj、Cj分別為第j個(gè) 神經(jīng)單元的基寬向量和中心矢量，Cj= [Cll，C12,......Clm]，bj= [bl,b2,......bm];
[0042] 則RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制輸出變量為：
[0044] 其中，bk、C1^別為第k個(gè)神經(jīng)單元的基寬向量和中心矢量；
[0045] RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的在線調(diào)整方式為：
[0048]其中，n2〇，V表示李雅普洛夫函數(shù)，(1Θ為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)率，S(X)為切換函數(shù)， i'ix)為切換函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；
[0052]其中：hk(s)為高斯函數(shù)，γ為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)參數(shù)。
[0053]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明依據(jù)風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)原理、風(fēng)剪切特性和塔 影效應(yīng)，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化作用，逼近變槳系統(tǒng)未知的非線性函數(shù)，通過Lyapunov方法 導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)率，在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值來改善獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，以 此來穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，采用智能化控制方法，能夠快速地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳控制，提高 變槳伺服系統(tǒng)的工作效率，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能提高風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的自適 應(yīng)性能;此控制方法應(yīng)用廣泛且不需要增加風(fēng)電機(jī)組的硬件條件，控制成本低，并且降低了 槳葉、機(jī)艙、塔架等風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷，提高了大型風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。
【附圖說明】
[0054]圖1為本發(fā)明的控制原理圖。
[0055] 圖2為本發(fā)明的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
[0056] 圖3為本發(fā)明的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0058]如圖1所示，圖1為本發(fā)明的控制原理圖，圖1中可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)控制分為上半部分的 傳統(tǒng)功率控制和下半部分的獨(dú)立變槳控制，控制方法步驟如下：
[0059]首先是傳統(tǒng)功率控制部分，即步驟一:選擇的控制對(duì)象是發(fā)電機(jī)輸出功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn) 矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，其風(fēng)輪的模型的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0061]其中，J為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，Qr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。
[0062]統(tǒng)一槳距角的表達(dá)式如下所示：
[0064]其中：Θ為槳距角，ξ為變槳執(zhí)行系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，0r槳距角的設(shè)定值，ω為無阻尼 自然頻率。
[0065]通過采集風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ωr，將采集到的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)Ωr送入到傳統(tǒng)功率 控制單元，功率控制器進(jìn)行傳統(tǒng)的變槳控制和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制的計(jì)算，得到風(fēng)電機(jī)組 的統(tǒng)一槳距角Θ和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tg，之后將電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)送入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩伺 服系統(tǒng)，用來平衡風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0066] 然后是獨(dú)立變槳控制部分，即步驟二至步驟五，步驟二:計(jì)算風(fēng)電機(jī)組三個(gè)槳葉根 部彎矩Μζ1、Μζ2、Μζ3及槳葉方位角Φ。
[0067]三個(gè)槳葉根部彎矩Mzl、Mz2、Mz3的計(jì)算公式如下：
[0071]其中，hMz為揮舞彎矩對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)，kMz為揮