变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法

摘要

本发明公开一种变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法。本发明通过估算风轮气动力矩，根据估算气动力矩结果基于风力发电机组电磁力矩响应模型及传动系统模型设计气动力矩前馈解耦控制器，有效的消除了由于外部气动力矩的随机性和不确定性对最优阻力矩的动态跟踪影响，使轮毂与主轴低速轴连接处的阻力矩完全由电磁力矩闭环控制，高效的实现了最优阻力矩精确动态跟踪，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

主权项

变速变桨风力发电机组基于前馈解耦控制的最大功率追踪控制方法，其特征是该方法考虑风力发电机组传动系统为柔性环节且存在摩擦的情况下，对风力发电机组传动系统进行建模，通过对风电机组气动力距的前馈解耦控制方式消除了风轮气动力矩的波动性和不确定性对阻力矩控制的影响，高效的实现额定风速以下轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩跟踪，有效的实现风轮风能吸收最大功率追踪；其中风力发电机组传动系统等效为低速轴和高速轴两质量块环节，按照以下方法建模：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\omega }}_b}{dt}=\frac{T_b}{J_b}-\frac{T}{J_b}\\ \frac{{\mathrm{d\omega }}_g}{dt}=\frac{\eta T}{{\mathrm{NJ}}_g}-\frac{T_e}{J_g}\\ \frac{dT}{dt}=K({\omega }_b-\frac{{\omega }_g}{N})+B(\frac{{\mathrm{d\omega }}_b}{dt}-\frac{1}{N}\frac{{\mathrm{d\omega }}_g}{dt})\end{array}\right.$式中ω_b表示低速轴转速；T_b表示风轮气动力矩；J_b表示低速轴转动惯量；T表示轮毂与主轴低速轴连接处与旋转方向相反的阻力矩；ω_g表示高速轴转速；J_g表示高速轴转动惯量；T_e表示发电机电磁力矩；N表示传动系统增速比；η表示传动系统传动效率；K表示传动系统等效到低速轴刚性系数；B表示传动系统等效到低速轴阻尼系数；设状态变量为$x=\left[\begin{array}{c}{\omega }_b\\ {\omega }_g\\ T\end{array}\right],$输入变量为$u=\left[\begin{array}{c}{T}_b\\ T_e\end{array}\right],$输出为y＝T，则传动系统表示为一个三阶模型：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -\frac{1}{J_b}\\ 0& 0& \frac{N}{J_t}\\ K& -\frac{K}{N}& -\frac{B}{J_b}-\frac{B}{J_t}\end{array}\right]x+\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{J_b}& 0\\ 0& -\frac{1}{J_g}\\ \frac{B}{J_b}& \frac{B}{{\mathrm{NJ}}_g}\end{array}\right]u\\ y=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]x\end{array}\right.$其中$J_t=\frac{N^2{J}_g}{\eta }$J_t表示低速轴等效到高速轴后的转动惯量；则系统传递函数表示为：$\left\{\begin{array}{c}y\left(s\right)=\left[G_1\right(s),G_2(s\left)\right]u\left(s\right)\\ G_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_t}{J_b{J}_t{s}^2+B(J_b+J_t)s+K(J_b+J_t)}\\ G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_b{J}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_b{J}_t}{{\mathrm{NJ}}_g{J}_b{J}_t{s}^2+{\mathrm{BNJ}}_g(J_b+J_t)s+{\mathrm{KNJ}}_g(J_b+J_t)}\end{array}\right..$