[发明专利]一种风力发电机分数阶变桨控制方法

说明书

本发明公开了一种风力发电机分数阶变桨控制方法，涉及到风力发电系统控制技术领域。首先，根据空气动力学相关理论建立风力机数学模型，考虑到机械传动系统中齿轮箱易出故障，静液压传动系统效率较低等问题，采用机械液压混合的方式进行传动，并建立了机械液压混合传动系统仿真模型。然后，为了改善系统的动态性能和保证全局稳定性，结合积分滑模控制和反步法设计变桨距控制器，同时将分数阶微积分理论与变桨控制器结合，有效提高了控制器的灵活性。最后，针对积分滑模控制带来的抖振以及风力机系统中存在的内外部扰动，设计分数阶扩张状态观测器减小抖振和内外部扰动对系统造成的影响。

技术领域

本发明属于风力发电系统控制技术领域，涉及到一种基于分数阶扩张状态观测器和分数阶积分滑模反步控制的风力机变桨控制方法。

背景技术

由于风能清洁无污染，取之不尽用之不竭，已成为近年来最具竞争力的可再生能源。但由于风能能量密度低、随机性和不稳定性等特点，且风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此风电机组的控制技术是系统安全高效运行的关键。随着风力发电机组的大型化以及风能渗透进电能市场的必然性，提高风能转换率和降低风力发电成本至关重要，高风速下风电机组的变桨控制已成为风力发电的关键技术之一。

滑模控制策略针对非线性和不确定系统具有较强的鲁棒性和抗干扰性等优点。同时，反步法可将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统分别设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，通过设计和修正虚拟控制律确保线性系统的稳定性。大量学者针对非线性系统中各种复杂问题，采用反步法与滑模控制相结合的方法解决。文献[储培,倪昆,程林,等.基于反步滑模的高超声速变体飞行器鲁棒控制[J].计算机仿真,2018,35(08):41-45]针对高超声速变体飞行器变体过程中的三通道姿态控制问题，首先采用凯恩方法建立高超声速变体飞行器姿态运动方程，然后基于反步法设计思想层层递推设计滑模控制律，实现姿态角的跟踪控制。文献[李众,沈炜皓.四旋翼姿态的反步滑模RBF网络自适应控制[J].火力与指挥控制,2020,45(11):146-150+157]针对外界存在常值干扰力矩和变值干扰力矩的四旋翼无人机姿态系统，提出一种将反步滑模控制和RBF网络自适应算法相结合的控制方法。此方法在反步滑模控制方法的基础上，利用RBF网络的逼近特性补偿外界干扰，由Lyapunov方法构造RBF网络权值的自适应律，并通过Lyapunov稳定性定理证明四旋翼无人机姿态系统的稳定性。仿真结果验证了反步滑模RBF网络自适应控制方法抑制干扰的能力相比于反步滑模控制更强。文献[蔡浩然,杨俊华,杨金明.直驱型波浪发电系统的混沌运动及反步滑模变控制[J].电测与仪表,2018,55(20):108-113+121]为研究直驱式波浪发电系统的混沌现象及混沌控制问题，采用反步法构造虚拟控制量，针对虚拟控制量设计滑模控制器，构造控制律进行混沌控制，提出反步滑模变控制方案。仿真结果表明，所设计反步滑模变控制器能使直线电机系统迅速脱离混沌状态。

为了进一步提高控制精度，一些学者通过观测器进行辅助控制。文献[李华柏,谢永超,胡扬.双馈风力发电系统中变桨距线性自抗扰控制系统研究[J].河南科学,2021,39(02):190-195]将包含线性状态观测器的线性自抗扰控制器应用于风力发电系统中，仿真实验验证了线性自抗扰控制抗干扰能力强，对风速的不确定性具有较好的估计和补偿作用，同时能够实现发电系统的恒功率控制。文献[任丽娜,刘素,刘福才,等.基于模糊自抗扰的风电系统独立变桨距控制[J].动力工程学报,2018,38(07):564-571]为了降低风力机的不平衡负载，将自抗扰控制应用于独立变桨距降载控制中，并针对多个自抗扰控制器不便操作、参数调整困难的缺点，提出了基于模糊控制改进的自抗扰独立变桨控制，最后通过与传统自抗扰独立变桨控制策略进行比较，验证了模糊自抗扰控制器的优越性。