專利名稱：：一種定槳距風力機的內模控制方法
技術領域：
：本發明為一種定槳距風力機的內模控制方法，屬于風力發電系統控制
技術領域：
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背景技術：
：由于能源緊缺，風能的開發與利用得到了全世界的關注。目前應用廣泛的風力機主要有定槳距失速型風力機和變槳距風力機。定槳距失速型風力機因其結構簡單、性能可靠，無需復雜的變槳距控制系統，在風力發電系統中得到了廣泛應用。但由于轉速固定不變，風力機只在某個風速點具有最大風能利用系數，因此風能利用率較低；并且其槳葉節距角固定不變，在高風速區只依靠槳葉自身的失速特性無法實現風力機的恒功率輸出。輸出功率特性曲線如附圖l所示。變槳距變速型風力機釆用了變槳距技術，槳葉和整機的受力狀況大為改善，這對大型風力發電機的總體設計十分有利。在低風速區變槳距機構不起作用，通過控制發電機轉速，實現風力機的最大功率跟蹤；在高風速區變槳距機構開始作用，槳葉節距角隨風速變化而不斷改變，以調節風能利用系數，使風力機的輸出功率穩定在其額定值。輸出功率特性曲線如附圖2所示。由于該型風力機釆用了復雜的變槳距控制系統，增加了制造和維護成本。若定槳距風力機能夠達到變槳距風力機的風能利用效果，將大大減小風力發電機的成本。
發明內容本發明為一種定槳距風力機在整個設計風速范圍內的功率控制方法，它通過重構模型的逆形成內模控制器對氣動轉矩擾動進行4Hf嘗，保證風力機工作在額定風速以上時的穩定性，通過轉矩觀測器獲得氣動轉矩的狀態估計值，并通過轉矩一轉速曲線得到定槳距風力機的參考轉速，通過控制風力機轉速，達到對定槳距風力機功率控制的目的。所述控制方法包括如下環節1)通過轉矩觀測器獲得氣動轉矩的狀態估計值7W，并通過轉矩一轉速曲線得到定槳距風力機的參考轉速Wi/,若風力機與發電機之間有齒輪箱，則發電機的轉速期望值為w'=(yifkN,《N為齒輪箱變速比，若無齒輪箱，取/^=1;2)通過重構控制對象模型Gn(力獲得估計的轉速Wg;3)將風力機的實際轉速Wf與2)所述的轉速Wg作差，得到轉速誤差信號^y^4)將定槳距風力發電機的參考轉速^與3)所述轉速誤差信號zk^作差得到轉速誤差信5)通過重構控制對象模型GnW的逆形成內模控制器GcOO,定槳距風力發電機輸出轉速的表達式為)=——~~*1-G風Ws為頻域拉普拉斯算子，^Cy)為風力發電機的期望轉速給定，7U》為氣動轉矩，D(s)為氣動轉矩干擾平移至輸出端的傳遞函數D(s)=GPW,Gp(力為風力發電機的數學模型，G(力為控制對象真3實模型。當擾動導致發電機轉速增加時，葉尖速比A-wi/v會增加，由附圖(3)知當風力機運行于力矩不穩定區時，風力機的轉矩系數增加，這將導致風力機的氣動轉矩增加，上式表明如果GeCs)為傳統的線性控制器，會進一步加劇轉速的增加，形成一個正反饋，最終導致風力發電機飛車，如果擾動導致轉速減小，則會導致風力發電機停車。由上式知當選擇GcW呵GnW]"時，抵消氣動轉矩擾動的影響，風力機的轉速也可認為是發電機的轉速由給定的轉速期望值決定，w(力二，一，Gc,(-),G"l,、、必*(》,由擾動引起的轉速變化得到補償，l+GcO)(GCy)-GnO))抑制正反饋的形成，保證定槳距風力機在深失速區穩定運行。為了保證內模控制器Gc(》的可實現性，在其中加入低通濾波器G(力，內模控制器的最終實現形式為GcCh0(力[Gn(力]:6)將4)所述的轉速誤差信號z^2經過內模控制器GcW得到發電機電磁轉矩參考信號V;將r/除以一個與風力發電機結構相關的常數得到電流調節器q軸電流的期望給定值，將電流調節器d軸電流的期望給定值設為0,并將電流調節器的輸出進行SVPWM調制就得到了實際的發電機定子端PWM整流器的驅動信號；本發明能夠對定槳距風力機在整個設計風速范圍內的運行施加有效控制，解決了當風力機運行于力矩不穩定區時的穩定性問題，保證其不會因外界擾動而飛車或是停機，同時提高了定槳距風力機的風能利用效率，改善了其在額定風速以上輸出功率特性差的缺點。與變槳距變速型風力機相比，該系統沒有變槳距機構與變槳距控制器，具有結構簡單、成本低廉、穩定可靠的突出優點。圖1為定槳距失速型風力機輸出功率特性曲線圖2為變槳距變速型風力機輸出功率特性曲線圖3定槳距風力機的轉矩系數曲線圖4為最佳轉矩一轉速曲線圖5為定槳距風力機內模控制框圖圖6為定槳距變速風力發電機系統組成框圖圖7為q軸電流控制框圖具體實施方案定槳距風力發電機系統組成框圖如附圖(6)。風力機將風能轉換為機械能，永磁同步電機在風力機的帶動下旋轉，將軸上吸收的風能轉變為電能，通過控制發電機定子側的PWM整流器達到調節發電機電磁轉矩，進而控制風力機轉速的目的。并網逆變器對發電機輸出電能進行管理。控制系統所需的轉速、電流信號分別由轉速傳感器、電流傳感器得到。采用TMS320LF2407DSP控制器完成定槳距變速風力發電機的變速制系統的設計。具體的實施方案分為兩個步驟l)設計電磁轉矩控制器；2)設計內模控制器；1)電磁轉矩控制器設計過程如下電磁轉矩控制器也即電流控制器，釆用較成熟的矢量控制技術進行設計，首先用電流傳感器檢測出永磁同步電機定子三相電流,'a、/b、/"并將定子三相電流經過clarke變換，得到兩相靜止坐標系的電流!;和再經過park變換將兩相靜止坐標系下的電流/a和/p變換成兩相旋轉坐標系下的電流&和Zq。/d和/q即為電流環的反饋電流，對于永磁同步電機期望的電流給定為/qVTeV(1.5p^/),p為極對數，^為轉子勵磁磁鏈，Te'為發電機的電磁轉矩給定，為了提高發電機的功率因數，減少轉矩脈動，設d軸電流給定由fd*=0。附圖(7)為q軸電流控制框圖，d軸電流控制框圖以及調節器參數與q軸一樣。q軸電流環控制對象的傳遞函數為1/(￡計及)，其中丄為定子電感，及為定子繞組電阻。考慮到電流環需要較快的跟蹤能力，采用PI調節器按典型1型系統來整定調節器的參數，PI調節器的傳弟函數為Gi(力-kKw+l》，式中k,^/(37^pwM),T尸i:/i,尺pwm為pwm整流器的橋路等效增益，當釆用svpwm調制時a:pwm=i。2)由步驟l)可得到電磁轉矩環的閉環傳遞函數為re/re^V/q^^^^QT^+l),轉速控制器即內模控制器設計過程如下內模控制器的結構圖如附圖(5),通過轉矩觀測器來估計氣動轉矩的狀態值7W,在DSP中依據最佳轉矩一轉速曲線通過查表的方式獲得風力發電機期望轉速w、Wi/,圖(4)為最佳轉矩一轉速曲線，它的獲取是通過現場實驗測得，測量的依據為在低風速時實現最大風能跟蹤，隨著風速的增加，風力機的氣動轉矩、轉速都相應增加，當轉速達到風力機的額定轉速后，隨著風速的增加，風力機的轉速保持不變，但風力機的輸出功率繼續增加，氣動轉矩增加，當風力機的輸出功率達到其額定值后保持不變，此后氣動轉矩與轉速的乘積為風力機恒定的輸出功率。采用轉速傳感器測得永磁同步電機的輸出轉速Wf,電磁轉矩的期望給定值r/經過重構的控制對象模型便可以得到永磁同步電機的輸出轉速估計值Wg，將永磁同步電機的輸出轉速^f與輸出轉速估計值"g作差得到信號A^，將風力機期望轉速c/^,/與」化作差，得到內模控制器的輸入信號A^。考慮電磁轉矩內環的影響，重構的控制對象模型為GnW-^WGpCy),上式中Gp(^l/(力+5)為風力發電機的數學模型，<^)=(37^+1)為電磁轉矩環的閉環傳遞函數，所以6^)=1/(力+5)(37>+1戶1/(力(37>+1)),其中K為PWM整流器的開關周期，J為風力發電機轉動慣量，5為摩擦系數，一般情況下B較小，可以忽略其影響，根據重抅的控制對象模型可以求出內模控制器的傳遞函數，GcO)-[Gn(力]-1即Gc0)-力(37^+l),考慮物理上的可實現性，在內模控制器中加入低通濾波器2(力，內模控制器的最終實現形式為Gc(力^W[GnCO]'1。轉速控制器的輸出為電磁轉矩的期望給定值Te'。綜合上述過程、結合附圖(5)可得系統開環傳遞函數GKW==^g一，閉環傳遞函數,),表明系統的穩定性取決于2(力。實施例之一本實施例中所采用的定槳距風輪葉片Cp(;i)參數如表i所示，槳葉最大風能利用系數cpmax等于0.365;槳葉半徑及為4m;最佳葉尖速比義豐為6.75;風輪的切入風速4.5m/s,切出風速25m/s，額定風速12m/s;空氣密度/^于1.25kg/m3;風力機額定輸出功率10kW。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例中所采用的發電機為隱極式永磁同步發電機，發電機額定功率10kW,極對數/7等于8,定子電感L為5mH,定子繞組電阻/等于0.1Q,轉子勵磁磁鏈^等于0.57Wb,5為摩擦系數，5=0.05,轉動慣量J為lkgxm2。發電機與風力機之間無齒輪箱，為直驅式風力發電機，去掉齒輪箱有助于降低機組成本，延長機組使用壽命。PWM整流器的開關頻率為/s=2kHz,開關周期為rs=l//s=500ns。在本實施例中取2Cy)-(2w+l)/Cw+l)2,T決定著系統的動態特性和魯棒性，越小，系統響應越快但魯棒性越差，容易引起振蕩，反之，越大，系統魯棒性越好，但響應越緩慢。因此，理想控制器應當根據系統的期望特性在線調整其參數，在本實施例中在線調整取1=0.005。將系統參數代入所設計的控制器附圖(7)中《pwm=1,《PWM/(0.57>K)=l/(0.00025:s+l)，1/(7>+1)=1/(0.0005;+1),1/(丄,=1/(0.005;+0.1)由步驟l)知PI調節器GiCy"k《T!;y+l)/1s=66.7(0.051y+1)A附圖(5)中GpCs^l/(A+5)^/C+0,05),^Cy)-(37^+l)-l/(0.0015j+l)氣動轉矩干擾平移至輸出端的傳遞函數DW=GP0y)=l/O+0.O5)由步驟2)知重構的控制對象模型為GnCs)-l/C/s(37Vy+l))^l/(s(0.0015s+l))=l/(0.0015s2+s)低通濾波器20)-(2w+1)/Cw+1)2K0.01s+1)/(0.005s+1)2內模控制器為Gc(4^A(37^+l)(2w+l)/Cw+l)2^(0.0015s+l)(0.01y+l)/(0.005s+l)2系統的閉環傳遞函數為0KCy)=g("=(2w+l)/(+1)2,當f0.005時系統穩定。權利要求1、一種定槳距風力機的內模控制方法，其特征在于通過重構模型的逆形成內模控制器對氣動轉矩擾動進行補償，保證風力機工作在深失速區時的穩定性，改善風力機在低風速區的動態特性，通過控制發電機的電磁轉矩進而調節風力機轉速，達到對定槳風力機功率控制的目的，所述控制方法包括如下環節1)通過轉矩觀測器獲得氣動轉矩的狀態估計值(Tm1)，并通過轉矩-轉速曲線得到定槳距風力機的參考轉速(ωif*)，若風力機與發電機之間有齒輪箱，則發電機的轉速期望值為ω*＝ωif*KN，KN為齒輪箱變速比，若無齒輪箱，取KN＝1；2)通過重構控制對象模型(Gn(s))獲得估計的轉速(ωg)；3)將風力發電機的實際轉速(ωf)與2)所述的轉速(ωg)作差，得到轉速誤差信號(Δω1)；4)將定槳距風力發電機的參考轉速(ω*)與3)所述轉速誤差信號(Δω1)作差得到轉速誤差信號(Δω2)；5)通過重構控制對象模型(Gn(s))的逆形成內模控制器(Gc(s))，定槳距風力發電機輸出轉速的表達式為<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><msup><mi>ω</mi><mo>*</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>T</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009101812980002C1.tif"wi="125"he="10"top="105"left="56"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>s為頻域拉普拉斯算子，ω*(s)為風力發電機的期望轉速給定，Tm(s)為氣動轉矩，D(s)為氣動轉矩干擾平移至輸出端的傳遞函數D(s)＝Gp(s)，Gp(s)為風力發電機的數學模型，G(s)為控制對象真實模型，當選擇Gc(s)＝[Gn(s)]-1，抵消氣動轉矩擾動的影響，保證定槳距風力機在深失速區穩定運行，為了保證內模控制器Gc(s)的可實現性，在其中加入低通濾波器Q(s)，內模控制器的最終實現形式為Gc(s)＝Q(s)[Gn(s)]-1；6)將4)所述的轉速誤差信號(Δω2)經過內模控制器(Gc(s))得到發電機電磁轉矩參考信號(Te*)，將(Te*)除以一個與發電機結構相關的常數得到電流調節器q軸電流的期望給定值，將電流調節器d軸電流的期望給定值設為0，并將電流調節器的輸出進行SVPWM調制就得到了實際的發電機定子端PWM整流器的驅動信號。全文摘要本發明公開了一種定槳距風力機的內模控制方法，屬于風力發電系統控制技術。本發明通過重構模型的逆形成內模控制器，對氣動轉矩擾動進行補償，從而保證風力機工作在額定風速以上時即工作在深失速區時的穩定性。在整個設計風速范圍內對定槳距風力機進行變速控制，通過控制發電機的電磁轉矩進而調節風力機轉速，達到定槳風力機功率控制的目的；本發明提高了風能利用效率，改善了定槳距風力機在額定風速以上輸出功率特性差的缺點，解決了風力機運行于力矩不穩定區時的穩定性問題，保證其不會因外界擾動而飛車或是停機。文檔編號F03D7/00GK101603503SQ200910181298公開日2009年12月16日申請日期2009年7月21日優先權日2009年7月21日發明者王俊琦,胡祖榮,巖邢,馬運東申請人:南京航空航天大學