一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108167120A(43)申请公布日2018.06.15(21)申请号201711309947.0(22)申请日2017.12.11(71)申请人浙江大学地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人杨秦敏焦绪国陈积明卢建刚(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人刘静邱启旺(51)Int.Cl.F03D7/04(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图6页(54)发明名称一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法(57)摘要本发明公开了一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法。考虑未建模动态和干扰，建立风力发电机组的简化动态模型。计算功率调节误差动态特性。选择滑模面和切换函数，设计滑模增益的自适应更新机制，得到滑模变结构电磁转矩控制信号。定义风轮转速期望误差动态特性。将风电机组简化动态模型进行改写，得到桨距角初步表达式。将低通滤波器对非仿射不确定项和干扰项的逼近结果代入桨距角初步表达式中，得到桨距角最终表达式。该联合控制方法能够较好应对风电机组的非仿射不确定特性，结构简单，鲁棒性好，能够提供更加平稳的风轮转速和发电功率，减小风电机组的机械载荷，延长其使用寿命，并为电网提供高质量的电能。CN108167120ACN108167120A权利要求书1/2页1.一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对风力发电机组的传动轴系结构进行分析，考虑系统未建模动态和干扰，建立风力发电机简化动态模型；(2)计算功率调节误差的动态特性；所述功率调节误差定义为风电机组额定发电功率与实际发电功率之差；(3)根据步骤2中的功率调节误差动态特性，选取滑模面和切换函数，确定滑模增益，引入风轮转速调节误差，得到最终的滑模变结构转矩控制信号，使得风电机组的输出功率维持在额定功率附近；所述风轮转速调节误差定义为风轮额定转速与风轮实际转速之差；(4)确定期望的风轮转速调节误差动态特性，使得调节误差以指数收敛的形式收敛到零；(5)将步骤1的风力发电机简化动态模型分解为已知项、非仿射不确定及未知干扰项、桨距角控制项，所述已知项中包括步骤3得到的滑模变结构转矩控制信号；(6)将分解后的风力发电机简化动态模型与期望的风轮转速调节误差动态特性相结合，得到桨距角初步表达式；(7)使用低通滤波器对非仿射不确定及未知干扰项进行逼近，得到非仿射不确定及未知干扰项在时域中的估计值；(8)将步骤7得到的估计值代入步骤6得到的桨距角初步表达式，经过拉普拉斯变换和反变化，得到桨距角最终表达式，从而实现通过控制桨距角使得风电机组的风轮转速维持在额定转速附近。2.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤2中，功率调节误差的动态特性具有如下形式：其中，功率调节误差ep＝Pref-Pg，Pref为额定功率，Pg＝Tgωr为实际输出功率，Tg为等效发电机转矩，ωr为风轮实际转速,表示求取括号内某变量的导数。3.根据权利要求2所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤3中，最终的滑模变结构转矩信号具有如下形式：其中，为滑模增益的动态部分，的自适应更新机制为λ为滑模增益的常数部分，λ>0；sgn(ep)为切换函数，选取ep＝0作为滑模面；风轮转速调节误差eω＝ωd-ωr，ωd为风轮额定转速，Kp为风轮转速调节误差控制增益，Kp>0。4.根据权利要求3所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤4中，期望的风轮转速调节误差动态特性采用如下形式：其中，Kω为期望的风轮转速调节误差控制增益，Kω<0。2CN108167120A权利要求书2/2页5.根据权利要求4所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤5中，分解后的风力发电机简化动态模型如下：其中，g(ωr)为已知项，f(ωr,v,β,t)为非仿射不确定及未知干扰项，β为桨距角控制项，ωr为风轮实际转速，Jt表示系统转动惯量，Tg表示发电机转矩，Ta表示气动转矩，Kt是阻尼系数，t表示时间，v表示风速，Δ(t)表示未建模动态和环境干扰。6.根据权利要求5所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤6中，所述桨距角初步表达式为：β＝-g(ωr)+f(ωr,v,β,t)+Kωeω。7.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤7中，所述低通滤波器的带宽能够覆盖所要逼近的工程信号的所有频率。8.根据权利要求1所述的一种变速风力发电机组的变桨变矩联合控制方法，其特征在于，所述步骤8中，桨距角最终表达式为：-1其