一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法，通過計算風輪空氣動力轉矩的估計值和風輪轉速或發(fā)電機轉速的測量值，設計非線性自適應控制算法，并對控制器線性部分進行優(yōu)化設計，理論論證優(yōu)化控制器的可行性。
【專利說明】一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電運行控制【技術領域】，特別是涉及一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控 制方法。
【背景技術】
[0002] 風電以其適用范圍廣、回報率高的優(yōu)點，近年來得到各國高度重視并成為極具潛 力的新能源技術，并呈現(xiàn)出大型化、直驅化、海上應用的發(fā)展趨勢，以及高穩(wěn)定性、高回報率 的風能利用目標。中國風電在過去幾年以超過100%的年增速發(fā)展，總體掌握了大型機組研 制技術且正在推進海上風場建設。因此面對急劇膨脹的發(fā)展規(guī)模，如何保證在現(xiàn)有投入成 本的基礎上最大化獲得風電廣出，是提商現(xiàn)有風電機組利用效率、降低相對成本、實現(xiàn)風電 可持續(xù)快速發(fā)展的重要研究課題。
[0003] 傳統(tǒng)的風機控制方法就是PID控制，這種方法廣泛應用于工業(yè)領域，具有結構簡 單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點，在單一風速的簡單風況下采用PID控制可以得到較好的控 制效果，但這種控制器過分依賴于控制對象的模型參數(shù)，魯棒性差，對于受風速影響，呈現(xiàn) 強烈的非線性特性風機模型系統(tǒng)難以達到控制要求。在現(xiàn)代控制策略中，魯棒自適應控制 是應用范圍最廣且實用性比較高的控制方法，但其也存在自身的缺點，即為了追求系統(tǒng)的 高穩(wěn)定性，會損失掉控制精度及能量消耗方面的優(yōu)勢，需要與其他的控制方法結合使用。
[0004] 因此，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是：如何能夠創(chuàng)新的提出 有一種有效方法克服現(xiàn)有技術在能源消耗上存在的缺陷，并在這基礎上實現(xiàn)功率跟蹤的精 確控制。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法，用以實現(xiàn)簡單、實用、高 效的風電系統(tǒng)跟蹤優(yōu)化控制。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦录夹g方案：
[0007] -種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法，優(yōu)化傳統(tǒng)控制器，所述方法包括：
[0008] A、設計風機系統(tǒng)模型具體為：^夂⑴=C⑴_孕叫⑴_ 7L⑴
[0009] Ta(t)是由風輪轉動產(chǎn)生的動力力矩，它通過一根剛性軸帶 動轉子轉動，這部分是一個不可測的物理量，也就是未知量，需要辨識； 丨=?/,.+"%，及=見+"義{(/) = &?；",(n，a中風輪的轉速由 '⑴表示，j,為風輪轉子 的轉動慣量，發(fā)電機的轉動慣量為Jg 是轉子側外加阻尼，ng為風機變速箱比率，Bg為發(fā) 電機的外加阻尼；TM(t)是發(fā)電機轉矩，對發(fā)電機轉速產(chǎn)生制動作用，Tg(t)是系統(tǒng)的控制 輸入，主要是由發(fā)電機的轉矩進行控制；我們主要是通過發(fā)電機轉矩控制Tg(t)使得風機風 輪轉速《 Jt)跟蹤工程要求的理想轉速這里《/(t)是根據(jù)需要給出的設定量；
[0010] B、獲取風輪轉速、(t)，根據(jù)給定的理想轉速<(〇以及風電機組動 力學參數(shù)特性，定義K/) = <(/)-A(/)，并給出風機動力力矩Ta⑴的估計值 T11(I) = ~{k + I)[e(J)-K0)]- Ii[(A + I)ae(r) + fisgn(c<r))]Jr ;
[0011] 其中k，a，P均為正的控制增益，sgn( ?)是標準符號函數(shù)；
[0012] C、基于魯棒自適應控制器的結構，經(jīng)過設計得到
[0013] ((〇 = [―,/乂⑴-,/,腳⑴-(盡 + ⑴]+尺⑴=⑴ + h 法就是把Tg (t)把看作一個控制器整體去設計，這里利用辨識部分和Tlin_ (t)之間的線性 關系分別處理；
[0014] D、由于系統(tǒng)部分結構未知（Ta(t))，為了完成系統(tǒng)跟蹤效果，必須 對Ta進行在線的辨識，然后設計控制器；這里利用魯棒自適應的方法進行控 制器設計，設計出來的控制器經(jīng)過簡單的線性變換得到了 Tg(t)的表達式， = +，人 a)Wr(0]+L ⑴，它是由兩部分構成：一 部分7；,(/)為動力力矩Ta(t)的估計值，其參數(shù)不能隨意改變；另外一部分 則是理想轉速與實際轉子轉速的函數(shù)，在不影響系統(tǒng) 穩(wěn)定性的前提下對其參數(shù)進行適當調整，但是根據(jù)實際的仿真結果發(fā)現(xiàn)，控制器增益非常 大，這在工程上是不允許的，因此，必須對系統(tǒng)控制器進行優(yōu)化，采取優(yōu)化調整算法為：
[0015] E、首先，我們設定二次型性能指標：*/(?) = 〇.5f >2(/)/?十(_)":(/)>//，其中定常參數(shù) R，Q > 0,選取R = 0. 001，Q = 1，因為控制算法目的只是要求跟蹤誤差和消耗的能量極小， 所以Q，R的取值不同會影響到Ta(t)的估計值的準確性，但是不會影響到實際的控制優(yōu)化 效果；
[0016] F、利用極小值原理，構造系統(tǒng)哈密頓函數(shù)： i/(?0,5￡，2(〇" + 0.5g7^) + i(〇(-5^(〇_.7；"))/,/" 利用哈密頓函數(shù)對于控 制輸入的偏導數(shù)等于〇,得到最優(yōu)控制器：元⑴⑴/(以./,)， 其中X (t) = K (t)、⑴-g⑴，而K (t)，g⑴由下面的方程組給出： K(t) = {2B, /,/. - R)K(t) + K2(〇/(Rxjf), g(t) = [^(0 /(RxJ;) +Bt/ J： ]g(/ )-Ra>：{n^
[0017] G、根據(jù)當前輸入計算當前跟蹤效果；
[0018] H、把跟蹤效果的好壞即跟蹤誤差值反饋給動力力矩的估計算法；
[0019] I、同時利用對動力力矩的估計值修正當前的優(yōu)化控制算法，作為下一時刻的控制 輸入信號；
[0020] 所述風輪轉速來自于直驅風電機組，由速度傳感器直接獲得。
[0021] 有益效果
[0022] 本發(fā)明針對風機模型中受風速影響比較強的動力力矩設計了一種自適應估計器， 估計器的設計只依賴于系統(tǒng)的誤差函數(shù)。
[0023] 其次，再針對傳統(tǒng)控制器本身卻存在能量消耗巨大且抖動劇烈的缺點，結合控制 器的結構，對控制器線性部分采用了二次型優(yōu)化控制，得到了一種新型高效、節(jié)能的優(yōu)化控 制器，與【背景技術】中現(xiàn)有的控制器相比，通過Blade軟件模擬風機驗證，節(jié)能提高20%以 上。此外，本發(fā)明所提供的方法其實施步驟清晰，工程易實現(xiàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明實施例所述的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法的流程圖；
[0025] 圖2a是本發(fā)明實施例所述的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法的總體輸入輸出 方框圖；
[0026] 圖2b是本發(fā)明實施例所述的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法的模塊圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明實施例所述的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法的算法示意圖。
[0028] 其中，圖 2a 中 A = _Bt/Jt，B = -1/Jt，C = I
【具體實施方式】
[0029] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0030] 對線性系統(tǒng)優(yōu)化控制問題已經(jīng)于19世紀六十年代就被解決了，而由于非線性系 統(tǒng)的復雜性，大多數(shù)方法都是把非線性系統(tǒng)線性化后再處理，這樣會損失大量的系統(tǒng)信息， 同時優(yōu)化的效果也比較差，同時也是最重要的問題就是這個優(yōu)化算法穩(wěn)定性問題沒有相應 的理論論證。本發(fā)明提供一種實用的優(yōu)化控制技術，避免對實際的系統(tǒng)處理，只是針對系統(tǒng) 控制器線性部分優(yōu)化，并在此基礎上實現(xiàn)跟蹤的精確控制，并理論驗證優(yōu)化算法的穩(wěn)定性。
[0031] 參照圖1，示出了本發(fā)明的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法，其特征在于優(yōu)化傳 統(tǒng)控制器，所述方法包括：
[0032] A、風機系統(tǒng)模型如下：/A = ?；-孕叫-
[0033] B、獲取風輪轉速(t)，根據(jù)給定的理想轉速<(〇以及風電機 組動力學參數(shù)特性，定義%，并給出風機動力轉矩Ta的估計值 =-(A + l)[K/)_K0)]- f [(々 + 1)您⑴+ /)'sgn((Kr))}ir。 Jo
[0034] 其中k，a，0均為正的控制增益，sgn( ?)是標準符號函數(shù)；
[0035] C、基于傳統(tǒng)的魯棒自適應控制器的結構，經(jīng)過簡單的公式變換可得
[0036] T：, = [-J^olXt)- J,U(OlXt)-{Bt + J,a)wr(/)] +T3 ；
[0037] D、由控制器的結構看出，控制器是由兩部分組成，一部分為動力力矩的估計，其參 數(shù)不能隨意改變；另外一部分則是理想轉速與實際轉子轉速的函數(shù)，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性 的前提下對其參數(shù)進行適當調整，采取優(yōu)化調整算法如下：
[0038] E、首先，我們設定二次型性能指標：J = 〇.5_f + ⑴矽，其中定常參數(shù) R，Q > 0,選取R = 0. 001，Q = 1，因為控制算法目的只是要求跟蹤誤差和消耗的能量極小， 所以Q，R的取值不同會影響到Ta的估計值的準確性，但是不會影響到實際的控制效果；
[0039] F、利用極小值原理，構造系統(tǒng)哈密頓函數(shù)：H = 0? 5e2 (t) R+0. 5QT2g+入⑴ (%、(〇-1'8)/%，利用哈密頓函數(shù)對于控制輸入的偏導數(shù)等于〇，得到最優(yōu)控制器： ":.(，)=7；-尤=2(〇/((?><乂），其中入（0=1((〇?1(〇1(〇，而1((〇, 8(〇由下面的方程 組給出：
[0040] K{t) = {2Bi / Jt- R)K{t) + K2{t)KR~Kj;), g(〇 = [/f (/) /(/? x ) + 5, /./, ]-(/) - /?^； (/)；
[0041] G、根據(jù)當前輸入計算當前跟蹤效果；
[0042] H、把跟蹤效果的好壞即跟蹤誤差值反饋給動力力矩的估計算法；
[0043] I、同時利用對動力力矩的估計值修正當前的優(yōu)化控制算法，作為下一時刻的控制 輸入信號。
[0044] 具體到實際的應用中，本實施例所述的方法可參照圖2,示出了本發(fā)明的總體輸入 輸出，具體包括：
[0045] 輸出量y(t) = C? (風輪轉速測量）：該變量來自于直驅風電機組，由速度傳感器 直接獲得（為簡單化期間，假設C = I單位陣）。
[0046] 輸入量yd(t) = C?#(最佳風輪轉速）：輸出給風輪速度跟蹤控制模塊，作為待跟 蹤控制變量《的參考值。
[0047] 為了跟蹤的效果和對系統(tǒng)跟蹤誤差優(yōu)化，需要由預先產(chǎn)生期望軌跡的前置系統(tǒng)生 成前饋控制（圖2a的前面一個方框）；為了保證系統(tǒng)跟蹤誤差穩(wěn)定，需要對于原系統(tǒng)設計 狀態(tài)反饋（圖2b的后面一個方框）。由此設計的控制器中包含了由前饋控制生成的理想轉 速部分和狀態(tài)反饋產(chǎn)生的實際轉子轉速部分，與傳統(tǒng)的魯棒自適應控制器相比，相當于對 除估計部分以外的控制器進行了優(yōu)化調整。
[0048] 參照圖3,示出了本發(fā)明的算法實現(xiàn)流程，具體步驟為：
[0049] 步驟Stepl,算法開始。
[0050] 步驟St印2,獲得風輪轉速測量值(t)和給定的理想轉速值〇)。
[0051] 步驟St印3，定義風輪轉速誤差KO = < - %。
[0052] 步驟Step4,計算風機動力轉矩Ta的估計值;。
[0053] 步驟St印5,基于魯棒自適應控制結構，得到Tg的變換形式。
[0054] 步驟St印6,定義二次型性能指標J，并確定其參數(shù)。
[0055] 步驟Step7,利用極小值原理，構造哈密頓函數(shù)H，并求取控制器最優(yōu)控制器： u*(t)。
[0056] 步驟Step8,計算當前跟蹤效果，并將其反饋給動力力矩的估計模塊。
[0057] 步驟Step9,利用對動力力矩的估計值修正當前的優(yōu)化控制算法，作為下一時刻的 控制輸入信號。
[0058] 以上對本發(fā)明所提供的一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法進行了詳細介紹，本文 中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫 助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思 想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對 本發(fā)明的限制。
【權利要求】
1. 一種風電機組的跟蹤優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述方法包括： A、 設計風機系統(tǒng)模型具體為
Ta(t)是由風輪轉動產(chǎn)生的動力力矩，它通過一根剛性軸帶動轉子轉動，這部分是一個 不可測的物理量，屬于未知量，需要辨識；
，其 中風輪的轉速由表示，1為風輪轉子的轉動慣量，發(fā)電機的轉動慣量為Jg;Br是轉子 側外加阻尼，ng為風機變速箱比率，Bg為發(fā)電機的外加阻尼；TM(t)是發(fā)電機轉矩，對發(fā)電機 轉速產(chǎn)生制動作用，Tg(t)是系統(tǒng)的控制輸入，主要是由發(fā)電機的轉矩進行控制；通過發(fā)電 機轉矩控制Tg(t)使得風機風輪轉速cojt)跟蹤工程要求的理想轉速這里《/(t) 是根據(jù)需要給出的設定量； B、 獲取風輪轉速，根據(jù)給定的理想轉速<(0以及風電機組動力 學參數(shù)特性，定義K0 = <(0-a(0，并給出風機動力力矩Ta(t)的估計值
其中k，a，0均為正的控制增益，sgn( ?)是標準符號函數(shù)； C、 基于魯棒自適應控制器的結構，經(jīng)過設計得到
;利用辨識部分和 Tlinear(t)之間的線性關系分別處理控制器Tg(t); D、 由于系統(tǒng)部分結構未知Ta(t)，為了完成系統(tǒng)跟蹤效果，必須對Ta進行在線的辨識， 然后設計控制器；這里利用魯棒自適應的方法進行控制器設計，設計出來的控制器經(jīng)過簡 單的線性變換得到了Tg(t)的表達式
它是由兩部分構成：一部分之⑴為動力力矩Ta(t)的估計值，其參數(shù)不能隨意改變；另外一 部分
則是理想轉速與實際轉子轉速的函數(shù)，在不影響 系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下對其參數(shù)進行適當調整，對系統(tǒng)控制器進行優(yōu)化，采取優(yōu)化調整算法 為： E、 首先，我們設定二次型性能指標
，其中定常參數(shù)R，Q > 0,選取R= 0. 001，Q= 1，因為控制算法目的只是要求跟蹤誤差和消耗的能量極小，所以Q，R的取值不同會影響到Ta(t)的估計值的準確性，但是不會影響到實際的控制優(yōu)化效果； F、 利用極小值原理，構造系統(tǒng)哈密頓函數(shù)：
，利用哈密頓函數(shù)對于控 制輸入的偏導數(shù)等于〇,得到最優(yōu)控制器：
其中X(t) =K(t)、⑴-g⑴，而K(t)，g⑴由下面的方程組給出：
G、 根據(jù)當前輸入計算當前跟蹤效果； H、 把跟蹤效果的好壞即跟蹤誤差值反饋給動力力矩的估計算法； I、 同時利用對動力力矩的估計值修正當前的優(yōu)化控制算法，作為下一時刻的控制輸入 信號； 所述風輪轉速來自于直驅風電機組，由速度傳感器直接獲得。
【文檔編號】G06F17/50GK104408223SQ201410540059
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權日:2014年10月13日
【發(fā)明者】劉峰, 李鵬, 宋永端, 李丹勇, 陳麗紅 申請人:北京交通大學