[发明专利]一种抑制风速波动干扰的风电机组变桨控制方法

说明书

本发明请求保护一种抑制风速波动干扰的风电机组变桨控制方法，涉及到风力发电变桨控制领域。首先，为了避免风电机组非线性造成的控制混沌效应，进而在额定风速以上的恒功率点对风电机组进行线性化；同时考虑到传统PID控制器在功率精度控制上难以达到满意的效果，进而设计了一种滑模控制器。其次，针对滑模控制导致的控制过程出现的抖动问题，采取了对风速波动干扰进行预估补偿的方法。最后，为了解决机组大惯性导致的控制过程时滞效应，利用了卡尔曼滤波器和牛顿拉夫逊算法对有效风速进行预测，从而对桨距角进行补偿。本发明提出的控制方法能够很好的降低滑模抖动，提高系统的响应速度，同时能很好的稳定输出功率，具有一定的实用价值。

技术领域

本发明属于风力发电变桨控制领域，具体是一种控制风力机输出功率的变桨控制方法，该方法是基于抑制风速波动干扰和稳定输出功率的风电机组变桨控制方法。

背景技术

由于可再生能源的绿色、可持续等优点，得到世界各国的大量关注。风力发电是很重要的一种可再生能源，装机容量占了电力消耗的重要比重，因此，提高发电品质具有重要意义。额定风速以上，必须保持输出功率恒定。变桨距控制技术是保持输出功率恒定的重要手段之一^[1-2]。

由于风力机的时滞、非线性等特性，常规PID控制器难以满足控制要求，为了提高控制精度和系统稳定性，目前，已有众多学者对这一问题进行了深入研究，提出了诸多方案。如模糊控制、神经网络、滑模变结构控制，前馈-反馈控制等先进控制理论。文献[3]推导了风电机组的仿射非线性模型，在此基础上设计了非线性控制器，并进行了精确线性化。文献[4]采用智能遗传算法优化PID参数，提高变桨控制器性能。文献[5]根据已知的风力机特性和滑模变结构系统理论，推导出在切换面上的等效控制和切换面上滑模运动的状态方程。为了削弱抖振，采用基于最大风能追踪控制的模糊滑模控制方法。文献[6]在平衡点附近将风力机线性化后，采用线性参数变化算法提高控制精度。文献[7]针对实际作用在风力机上的有效风速难以测量的问题,设计Kalman滤波器,通过对风轮气动转矩的最优估计及其与风速的关系,对风速进行递推计算。同时,以风轮转速的平稳性和塔顶位移的最小化为优化控制目标,设计了变桨距预测控制器。文献[8]针对变速变桨风力发电机组如何抑制反馈信号滞后引起的输出功率波动进行研究。在传统PID反馈控制和基于测量风速前馈控制的基础上,提出了有效风速估计的前馈与传统PID反馈结合的变桨距控制策略,通过卡尔曼滤波与牛顿-拉夫逊算法进行有效风速估计,根据估计的有效风速给出合适的前馈桨距角,实现动态前馈补偿。文献[9]建立的前馈反馈控制策略，反馈控制增加了微分环节，前馈控制器采用的是模糊控制规则，也取得了很好的控制效果。文献[10]采用径向基神经网络优化PI控制器参数，并用粒子群算法优化神经网络。文献[11]设计了具有优化参数的PI控制器，同时采用延时干扰估计和信号补偿技术。

上述研究针对风电机组控制系统中功率稳定问题，尝试了多种控制方法。其各自解决了一些问题，使控制性能得到了提升。本发明在借鉴了这些研究的基础上，采用了滑模变结构控制，同时对风速波动干扰进行预估补偿，降低抖动，并且利用卡尔曼算法对桨距角进行预测补偿，提高了系统的响应速度。

参考文献：

[1]Xiu-xing Yin,Yong-gang Lin,Wei Li,Ya-jing Gu,Xiao-jun Wang,Peng-fei Lei.Design,modeling and implementation of a novel pitch angle controlsystem for wind turbine.Renewable Energy,2015,81:599-608.

[2]杨俊华，郑俭华，杨梦丽，吴捷.变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制.控制理论与应用，2012，29(10)：1365-1370.

[3]包能胜，叶枝全.水平轴矢速型风力机主动非线性控制[J].太阳能学报,2004,25(4):519—524.