[发明专利]变桨距风力发电系统的逆系统鲁棒控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及变桨距风力发电系统的逆系统鲁棒控制方法。

背景技术

随着风力发电技术的发展，变速变桨距风力发电系统得到了广泛的应用。桨距角控制对风力发电系统的功率输出至关重要，它通过直接改变桨叶的空气动力载荷来控制风机的风能捕获量，从而控制风力发电系统的输出功率。特别是风机在高风速区运行时，桨距角控制可以限制风力发电系统的输出功率，从而保障发电机和变流装置的安全运行。

桨距角控制的基本思想是，通过适当增大或减小风机的桨距角来改变桨叶的空气动力载荷，使得系统的输出功率限制在设定的水平上。然而风机桨叶的空气动力学特性不仅与桨距角有关，还与风速以及风机的转速有关，而且这些关系都呈现高度的非线性，增加了系统的控制难度。

忽略风机的刚性系数、阻尼系数和齿轮箱的惯性，变速变桨距风力发电系统的动力学模型为：

ω·m=1J(Tωt-Te′)---(1)]]>

其中，J为等效风机惯性，T_ωt为风机轴上的机械转矩；T′_e＝K_gT_e为等效发电机转矩，K_g为齿轮箱变比，T_e为发电机电磁转矩。T_ωt不但与桨距角β有关，还与风机转速ω_m及风速v有关：

T_ωt＝KC_q(ω_m，β，v)v²(2)

式中，R为风轮半径，ρ为空气密度；C_q(ω_m，β，v)＝f(λ，β)为风机的转矩系数，λ＝ω_mR/v为叶尖速比。值得注意是，转矩系数C_q与风机转速ω_m、风速v和桨距角β有高度的非线性关系，而且不同风机的转矩特性不同，其函数关系很难用统一的数学表达式表示。通常，风机的转矩特性数据由风机制造商根据风洞实验提供。

现有的桨距角控制多采用PID(比例积分微分)控制方法，控制流程如图1所示，其步骤为：

1.检测风机转速和桨距角角度；

2.计算风机转速误差e＝r-ω_m，r为转速设定值；

3.根据式(3)计算桨距角控制增量Δβ；

Δβ＝-(k_p+k_i/s+k_ds)e    (3)

式中，k_p，k_i，k_d分别为PID系数；s为微分算子；

4.输出桨距角命令值β(k+1)：在当前桨距角β(k)的基础上增加Δβ。

当风速v增大时，风机转速ω_m相应增大，PID控制方法下，桨距角增量Δβ增大，桨距角调节器调节桨距角β，降低风机的风能捕获量，使得风机转速和输出功率恢复到设定水平。

传统的PID控制方法有以下缺陷：

(1)不能在较大风速范围内获得较好的控制性能，式(3)中的PID系数是基于线性化风机模型而设计，对于具有高度非线性的风力发电系统，当风机的工作点偏离模型的线性化点时，PID控制方法的性能严重降低，甚至会引起系统的不稳定；

(2)PID控制方法下，风速大范围的随机波动将导致频繁的桨距角调节，加剧调节器的机械疲劳，影响风机的运行寿命；

(3)式(3)中的PID系数难以选择，需要通过大量的仿真或者实验才能确定一组合适的参数；

(4)由于实际模型与理论模型的偏差，基于理论模型的PID控制方法对模型参数摄动的鲁棒性较弱。