實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)mppt控制的變參數(shù)非線性反饋控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)控制領(lǐng)域，特別是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)MPPT控制的變參數(shù)非線性反饋控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注，變速風(fēng)力機(jī)與定速風(fēng)力機(jī)相比，具有 更高的發(fā)電效率和更低的結(jié)構(gòu)載荷。風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT)控制旨在控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤由實(shí)時(shí)風(fēng)速所決定的最佳轉(zhuǎn)速，進(jìn)而獲得更多 的風(fēng)能。風(fēng)力機(jī)MPPT控制具有多種實(shí)現(xiàn)方法，其中葉尖速比法通過直接控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到理 想轉(zhuǎn)速，具有更好的轉(zhuǎn)速跟蹤效果，達(dá)到更多的風(fēng)能捕獲。
[0003] 當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，基于葉尖速比法的非線性狀態(tài)控制器具有良好的轉(zhuǎn)速跟蹤效果， 但是其控制量的計(jì)算過程中使用了目標(biāo)轉(zhuǎn)速的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，實(shí)際中這些量是不可 預(yù)知且不連續(xù)的，不僅難以準(zhǔn)確測(cè)量或估計(jì)，而且會(huì)造成控制量的大小隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化 而大幅波動(dòng)，因此對(duì)濾波較為依賴。另外較好的跟蹤效果會(huì)使得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)劇烈， 產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)載荷和交變載荷，影響風(fēng)力機(jī)的壽命。
[0004] 基于上述情況，目前迫切需要一種新的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，能夠在 提高轉(zhuǎn)速跟蹤效率的同時(shí)盡可能降低結(jié)構(gòu)載荷，但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無相關(guān)描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過風(fēng)力機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速、氣動(dòng) 轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、估計(jì)風(fēng)速)在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)，在保證風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤效率的同時(shí)，有效限 制了發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)在調(diào)節(jié)控制參數(shù)的過程中避免了不可預(yù)知的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的 一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)MPPT控制的變參數(shù)非線性 反饋控制方法，該方法利用控制器、發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)組成的非線性反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以風(fēng) 輪實(shí)際轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速作為控制器的輸入，通過在線調(diào)節(jié)控制 器參數(shù)獲取發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考值作為控制器的輸出即發(fā)電機(jī)的輸入，以發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 作為發(fā)電機(jī)的輸出來控制風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，其中，控制器參數(shù)
amax，amaxS控制參數(shù)的最大值，ε為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速的誤差，Umax為等效控制輸 入?yún)?shù)的最大值；
[0007] 發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩參考值
式中Tr為風(fēng)力機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn) 矩，Ct為系統(tǒng)阻尼系數(shù)，cor為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，a(e)為控制器參數(shù)，J t為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，傳動(dòng)比 ng〇
[0008] 進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明中風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)31
ζ中Acipt是最佳葉尖速 比、Vr為估計(jì)風(fēng)速、R為風(fēng)輪半徑。
[0009] 進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明中通過發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tg、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω8,使 用卡爾曼濾波和牛頓-拉夫遜的方法，獲取風(fēng)力機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr以及估計(jì)風(fēng)速Vr。
[0010] 進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明中風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速的誤差ε= COr-COcipt, 式中ω _為風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速、cor為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速。
[0011]進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明中根據(jù)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩約束計(jì)算等效控制輸入?yún)?shù)的最大 值Umax，具體方法為：
[0012] 步驟A、計(jì)算風(fēng)機(jī)低速軸轉(zhuǎn)知 式中Tr為風(fēng)力 機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，COr為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，Jt為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J r為風(fēng)機(jī) 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ng傳動(dòng)比，Cr為風(fēng)輪系統(tǒng)阻尼系數(shù)，Cg為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)阻 尼系數(shù)；
[0013]步驟B、計(jì)算最優(yōu)的風(fēng)機(jī)低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tls. Cipt = Tr-Cr COcipt，式中Tr為風(fēng)力機(jī)估計(jì) 氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，ω opt為風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速，Cr為風(fēng)輪系統(tǒng)阻尼系數(shù)；
[0014] 步驟C、定義風(fēng)機(jī)低速軸的實(shí)際氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的誤差S = Tis-Tis. Cipt，式 中Tis為風(fēng)輪低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tis. Cipt為風(fēng)輪低速軸最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
[0015] 步驟D、由此可得等效控制輸入?yún)?shù)的最大值為：
[0016]
[0017] 式中Tr為風(fēng)力機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，COr為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，Tls為風(fēng)機(jī)低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Cr 為風(fēng)輪系統(tǒng)阻尼系數(shù)，Jr為風(fēng)機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ε為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速的誤差，S 為風(fēng)機(jī)低速軸的實(shí)際氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的誤差，UO為Umax的下界且為常數(shù)。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明基于非線性狀態(tài)反饋控制器， 通過風(fēng)力機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、估計(jì)風(fēng)速)在線調(diào)節(jié)控制 參數(shù)，在保證風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤效率的同時(shí)，較好地限制了發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并以此降 低了傳動(dòng)軸上的交變載荷。
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖。
[0021]圖2為本發(fā)明的仿真的湍流風(fēng)速序列圖。
[0022]圖3為本發(fā)明的利用風(fēng)速估計(jì)給出的估計(jì)風(fēng)速圖。
[0023]圖4為不同MPPT方法在風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的轉(zhuǎn)速跟蹤對(duì)比圖，其中（a)為傳統(tǒng)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法 (OT)與本發(fā)明所提出的方法轉(zhuǎn)速跟蹤對(duì)比圖；（b)非線性靜態(tài)狀態(tài)反饋控制器(NSSFC)、非 線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)反饋控制器(NDSFC)和本發(fā)明所提出的方法的轉(zhuǎn)速跟蹤對(duì)比圖。
[0024]圖5為不同MPPT方法在風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖，其中（a)為傳統(tǒng)最優(yōu) 轉(zhuǎn)矩法(OT)與本發(fā)明所提出的方法發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖；（b)非線性靜態(tài)狀態(tài)反饋控制 器(NSSFC)、非線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)反饋控制器(NDSFC)和本發(fā)明所提出的方法的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 對(duì)比圖。
[0025]圖6為本發(fā)明的方法獲得的風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸低速端載荷圖。
[0026] 圖7為本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法(0T)、非線性靜態(tài)狀態(tài)反饋控制器(NSSFC) 和非線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)反饋控制器(NDSFC)獲得的風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸低速端交變載荷幅值頻次對(duì)比 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)MPPT控制的變參數(shù)非線性反饋控制方法，該方法利 用控制器、發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)組成的非線性反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機(jī)估計(jì) 氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速作為控制器的輸入，通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)獲取發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參 考值作為控制器的輸出即發(fā)電機(jī)的輸入，以發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩作為發(fā)電機(jī)的輸出即為風(fēng)力機(jī) 的輸入，考慮實(shí)際風(fēng)速V也作為風(fēng)力機(jī)的另一輸入來控制風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，具體包括以下步 驟：
[0028]步驟1、獲取風(fēng)力機(jī)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù);風(fēng)力機(jī)參數(shù)包括風(fēng)輪半徑R、最佳 葉尖速比Xopt、最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣Mjt、系統(tǒng)阻尼系數(shù)Ct、傳動(dòng)比rig，環(huán)境參 數(shù)為空氣密度P，運(yùn)行參數(shù)包括發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tg、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω 8、風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速 ω r ;
[0029] 步驟2、通過發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tg、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω g，使用卡爾曼濾波和牛頓-拉夫遜的方法，獲取風(fēng)力機(jī)的估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr以及估計(jì)風(fēng)速Vr;
[0030] 步驟3、計(jì)算出風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)式中λ。#是最佳葉尖速比、Vr為估計(jì)風(fēng) 速、R為風(fēng)輪半徑；
[0031] 步驟4、計(jì)算實(shí)際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速的誤差ε= COr-COcipt，式中COcipt為風(fēng)輪 最優(yōu)轉(zhuǎn)速、為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速；
[0032] 步驟5、根據(jù)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩約束計(jì)算等效控制輸入?yún)?shù)的最大值umax，具體方法包括 以下步驟：
[0033] 步驟5-1、計(jì)算風(fēng)機(jī)低速軸轉(zhuǎn)矩 ?中Tr為風(fēng) 力機(jī)估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，c〇r為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，Jt為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J r為風(fēng) 機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ng傳動(dòng)比，Cr為風(fēng)輪系統(tǒng)阻尼系數(shù)，Cg為發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 阻尼系數(shù)；
[0034] 步驟5-2、計(jì)算最優(yōu)的風(fēng)機(jī)低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tls.Cipt = Tr-Cr ω_，式中Tr為風(fēng)力機(jī)估 計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，ω ￥為風(fēng)輪最優(yōu)轉(zhuǎn)速，Cr為風(fēng)輪系統(tǒng)阻尼系數(shù)；
[0035] 步驟5-3、定義風(fēng)機(jī)低速軸的實(shí)際氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的誤差S = Tis-Tis.。葉， 式中Tis為風(fēng)輪低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tis. opt為風(fēng)輪低速軸最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
[0036] 步驟5-4、由此可得等效控制輸入?yún)?shù)的最大值為：
[0037]
[0038] 式中Tr為估計(jì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，COr為風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，Tls為風(fēng)機(jī)低速軸氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Cr為風(fēng)輪 系統(tǒng)阻尼系數(shù)，Jr為風(fēng)機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ε為實(shí)際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速