本發(fā)明涉及漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種漂浮式風(fēng)力機組的功率控制方法。

背景技術(shù)：

漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電機組本身雖然能夠較大程度利用深海的風(fēng)能資源，但其外界載荷條件比陸地上固定式風(fēng)力發(fā)電機組更加復(fù)雜,其原因是除了受到通常的風(fēng)載荷以外,還受到浪的影響。同時相對固定式海上風(fēng)力發(fā)電機來說，浮式平臺的運動對系統(tǒng)發(fā)電也有很大的影響。由于風(fēng)和浪具有隨機性的特點，環(huán)境載荷波動會造成風(fēng)電機組的載荷波動變化，使風(fēng)電機組輸出功率不穩(wěn)定。特別是風(fēng)和波浪引起的平臺和塔架的傾斜運行，大大增加了風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)的難度，從而影響風(fēng)力機的輸出電能質(zhì)量，并影響系統(tǒng)安全。

現(xiàn)有技術(shù)中在變槳控制方面，大多數(shù)都是使用線性控制理論，由于許多條件的限制，這就需要更精確模型的以實現(xiàn)更好的性能。風(fēng)機尤其是漂浮式風(fēng)機作為一個高度非線性、柔性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜性隨著風(fēng)機尺寸的增加而增加。而且風(fēng)機空氣動力學(xué)部分具有非線性且很難建立其精確數(shù)學(xué)模型，且時常受到未知外部擾動的影響，這就使得在對漂浮式風(fēng)機進行控制建模時不可避免的存在較大的建模誤差。在這種情況下，線性控制器的性能將會受到很大限制而影響最終控制效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種基于自適應(yīng)擾動補償?shù)钠∈斤L(fēng)力機功率控制方法，以實現(xiàn)將線性控制理論更好的應(yīng)用在漂浮式風(fēng)電機組的變槳控制中，解決在變槳控制中，線性控制器所存在的缺點，實現(xiàn)有效提高功率輸出的穩(wěn)定，并在一定程度上降低功率調(diào)節(jié)過程中對浮臺載荷的影響，進而提高系統(tǒng)安全和輸出電能質(zhì)量。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種基于自適應(yīng)擾動補償?shù)钠∈斤L(fēng)力機功率控制方法，該方法包括如下步驟：

1)對漂浮式風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行分析，建立系統(tǒng)輸出與控制量之間的關(guān)系式：

式中，x1為風(fēng)力發(fā)電機低速軸轉(zhuǎn)速，x為系統(tǒng)狀態(tài)向量，u為系統(tǒng)控制輸入，lf(x)為系統(tǒng)非線性部分，lg(x)為系統(tǒng)輸入增益；

2)設(shè)計跟蹤微分器，處理系統(tǒng)的暫態(tài)過程，通過跟蹤微分器可以獲得比較平滑的連續(xù)信號，其中微分信號用于突變輸入信號；

3)設(shè)計擴展狀態(tài)、擾動觀測器，對系統(tǒng)未知的非線性部分和外部擾動進行在線估計；擴展狀態(tài)、擾動觀測器用于處理復(fù)雜系統(tǒng)的強非線性和未知外部擾動，對它們進行在線估計和補償；

4)設(shè)計自適應(yīng)修正變量，通過自適應(yīng)修正變量，可以弱化浮臺俯仰運動對功率控制的影響，提高功率控制的收斂速度和控制效果；

5)根據(jù)在線估計的系統(tǒng)未知部分和自適應(yīng)修正變量，設(shè)計變槳控制器；通過步驟3)的觀測器設(shè)計實現(xiàn)對系統(tǒng)未知部分的在線估計和補償，從而弱化的對控制器設(shè)計的要求，并結(jié)合步驟4)的自適應(yīng)修正變量，通過常規(guī)的pd控制器即可滿足漂浮式風(fēng)力機的功率控制要求，同時也可以在一定程度上減小功率控制對浮臺載荷的影響。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明基于自適應(yīng)擾動補償?shù)钠∈斤L(fēng)力機功率控制方法，其摒棄了在變槳控制中線性控制理論的缺點，控制不需要精確數(shù)學(xué)模型，能有效提高浮式風(fēng)電機組的功率輸出的穩(wěn)定性，并在一定程度上降低功率調(diào)節(jié)對浮臺載荷的影響，進而提高系統(tǒng)的安全和輸出電能質(zhì)量。

附圖說明

圖1為barge結(jié)構(gòu)的漂浮式風(fēng)力機結(jié)構(gòu)及其浮臺自由度；

圖2為漂浮式風(fēng)力機基于自適應(yīng)擾動補償?shù)淖儤刂平Y(jié)構(gòu)框圖；

圖3為風(fēng)載荷和浪載荷示意圖；

圖4為跟蹤微分器輸入和輸出效果示意圖；

圖5為系統(tǒng)未知部分估計效果圖；

圖6為功率輸出效果圖；

圖7為浮臺俯仰效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

一種基于自適應(yīng)擾動補償?shù)钠∈斤L(fēng)力機功率控制方法，如圖1-7所示，該方法包括如下步驟：

1)對漂浮式風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行分析，建立系統(tǒng)輸出與控制量之間的關(guān)系式：

式中，x1為風(fēng)力發(fā)電機低速軸轉(zhuǎn)速，x為系統(tǒng)狀態(tài)向量，u為系統(tǒng)控制輸入，lf(x)為系統(tǒng)非線性部分，lg(x)為系統(tǒng)輸入增益；

2)設(shè)計跟蹤微分器，處理系統(tǒng)的暫態(tài)過程，通過跟蹤微分器可以獲得比較平滑的連續(xù)信號，其中微分信號用于突變輸入信號。

3)設(shè)計擴展狀態(tài)、擾動觀測器，對系統(tǒng)未知的非線性部分和外部擾動進行在線估計；擴展狀態(tài)、擾動觀測器用于處理復(fù)雜系統(tǒng)的強非線性和未知外部擾動，對它們進行在線估計和補償。

4)設(shè)計自適應(yīng)修正變量，通過自適應(yīng)修正變量，可以弱化浮臺俯仰運動對功率控制的影響，提高功率控制的收斂速度和控制效果。

5)根據(jù)在線估計的系統(tǒng)未知部分和設(shè)計的自適應(yīng)修正變量，設(shè)計變槳控制器；通過步驟3)的觀測器設(shè)計實現(xiàn)對系統(tǒng)未知部分的在線估計和補償，從而弱化的對控制器設(shè)計的要求，并結(jié)合步驟4)的自適應(yīng)修正變量，通過常規(guī)的pd控制器即可滿足漂浮式風(fēng)力機的功率控制要求，同時也可以在一定程度上減小功率控制對浮臺載荷的影響。

在步驟1)中，對風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行分析，具體過程為：

假定系統(tǒng)的輸出為低速軸轉(zhuǎn)速，控制輸入為槳距角，由風(fēng)機氣動模型可知低速軸轉(zhuǎn)速的動態(tài)方程為：

式中，x1為風(fēng)機低速軸轉(zhuǎn)速，x2為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，x3為扭角，x4為實際槳距角，jr為低速軸轉(zhuǎn)動慣量，ng為齒輪比，ds和ks分別是傳動鏈的阻尼常數(shù)和彈性常數(shù)，pr風(fēng)力機捕獲的機械功率。

對x1求二階導(dǎo)，可得：

式中，v和分別為風(fēng)速和風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)，u為系統(tǒng)控制輸入，g4為執(zhí)行器時間常數(shù)的倒數(shù)。

當系統(tǒng)不確定性lf(x)、系統(tǒng)輸入增益lg(x)和風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)可得到時，一個線性反饋控制器如下所示：

式中，lg(x)在所有工作點都不為零，

在步驟2)中，設(shè)計跟蹤微分器，處理系統(tǒng)的暫態(tài)過程。實現(xiàn)方式如下：

定義η＝v1-v0，則二階跟蹤微分器設(shè)計如下所示：

式中，v0是系統(tǒng)給定輸入，v1是輸出跟蹤v0，v2是v1是的微分信號，r0、h0為常參數(shù)。fhan表示如下所示：

在步驟3)中，設(shè)計擴展狀態(tài)、擾動觀測器，對系統(tǒng)未知的非線性部分和外部擾動進行在線估計。具體過程為：

假設(shè)系統(tǒng)所有的非線性用lf(x)表示，lg(x)是未知的，定義擾動項ψ(x)包含系統(tǒng)所有的非線性和時變動態(tài)特性，如下所示：

ψ(x)＝lf(x)+(lg(x)-b)u

式中，b＝b0+δb為標稱控制增益，δb為未知余數(shù)，u為系統(tǒng)控制輸入。

則上式可變形為：

式中，b0為b的近似估計值。

令z1＝x1，z3＝ψ(x)，則觀測器模型設(shè)計如下所示：

則非線性觀測器設(shè)計如下所示：

式中，為zi的估計值，α0為觀測器的帶寬，χ為非線性函數(shù)的輸入誤差，0＜δ＜1為精度指數(shù)，h為非線性函數(shù)線性區(qū)域的寬度。

在步驟4)中，設(shè)計自適應(yīng)修正變量up。具體過程為：

式中，θ是浮式平臺的俯仰角，ge和gd是自適應(yīng)增益，是由已知擾動類型決定的偏差函數(shù)。

增益自適應(yīng)律設(shè)計如下所示：

式中，γe和γd是任意正常數(shù)。

在步驟5)中，根據(jù)在線估計的系統(tǒng)未知部分和設(shè)計的自適應(yīng)修正變量，設(shè)計變槳控制器?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂谱兞繛椋?/p>

式中，kp、kd為控制增益，v1、v2為跟蹤微分器的輸出，為觀測器的輸出。

變槳控制器的比例和微分控制增益可以按下式進行整定。

式中，ωc是控制帶寬。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。