变速变桨风力发电机组基于内模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内模控制的最大功率追踪控制方法。本发明通过对风力发电机组阻力矩响应系统进行建模得出参考模型，基于参考模型设计内模控制器并给出其解析表达式，基于内模控制方式实现低于额定风速以下轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩控制，相比于传统的最大功率跟踪算法，本发明有效的降低了由于气动力矩波动、测量误差和建模误差等因素对最优阻力矩跟踪的影响，更高效的实现风轮风能吸收最大功率追踪。针对常用的单位负反馈单回路控制系统，本发明设计了基于内模控制的等效单回路单位负反馈控制系统并给出控制器解析表达式。

主权项

变速变桨风力发电机组基于内模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,通过对风力发电机组传动系统进行建模，基于内模控制方式实现额定风速以下轮毂与主轴低速轴连接处最优阻力矩控制，降低了由于气动力矩波动、测量误差和建模误差因素对最优阻力矩跟踪的影响，有效的实现风轮风能吸收最大功率追踪；传动系统可以等效为低速轴和高速轴两质量块环节，按照以下方法建模：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\omega }}_b}{dt}=\frac{T_b}{J_b}-\frac{T}{J_b}\\ \frac{{\mathrm{d\omega }}_g}{dt}=\frac{\eta T}{{\mathrm{NJ}}_g}-\frac{T_e}{J_g}\\ \frac{dT}{dt}=K({\omega }_b-\frac{{\omega }_g}{N})+B(\frac{{\mathrm{d\omega }}_b}{dt}-\frac{1}{N}\frac{{\mathrm{d\omega }}_b}{dt})\end{array}\right.$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：$\left\{\begin{array}{c}y\left(s\right)=\left[G_1\right(s),G_2(s\left)\right]u\left(s\right)\\ G_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_t}{J_b{J}_t{s}^2+B(J_b+J_t)s+K(J_b+J_t)}\\ G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{BJ}}_b{J}_{t}s+{\mathrm{KJ}}_b{J}_t}{{\mathrm{NJ}}_g{J}_b{J}_t{s}^2+{\mathrm{BNJ}}_g(J_b+J_t)s+{\mathrm{KNJ}}_g(J_b+J_t)}\end{array}\right.$