專利名稱：基于有限時間非脆/保成本穩(wěn)定的風電機組變槳距控制器設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風電機組變槳距的控制，尤其是一種基于有限時間非脆穩(wěn)定的控制方法。
背景技術：
由于風能是隨機性能源，當風速發(fā)生變化時，風力機軸上輸出的功率也隨之發(fā)生變化。因此，如何調節(jié)風力機的輸出功率對并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機而言是十分重要的關鍵 技術之一。目前，水平軸風力機功率調節(jié)方式主要分為兩種，即定槳距失速調節(jié)和變槳距功率調節(jié)兩種。定槳距失速功率調節(jié)的基本原理是利用槳葉本身的氣動特性，即在額定風速以內，葉片的升力系數(shù)較高，風能的利用系數(shù)Cp也較高，而風速超過額定值時，葉片進入失速狀態(tài)，只是升力不再增加，風輪轉速將不再隨著風速的增加而增加，從而達到限制風力機輸出功率的目的。概括地說，失速功率調節(jié)既是利用葉片的氣動失速功率調節(jié)，又是利用葉片的氣動失速特性限制風力機葉片吸收風能，達到防止風力機的輸出功率過大，從而達到維持風力機轉速恒定。這種調節(jié)方式的優(yōu)點是變槳距調節(jié)機構簡單，運行可靠性較高，但存在風能損失大，風力機的起動性能較差，葉片上所承受的氣動推力較大等缺點。變槳距功率調節(jié)方式的基本原理是當風力變化使風力機的風輪轉速偏離了額定轉速時，在規(guī)定的時間內，借助于葉片槳距調節(jié)控制器的控制，改變風力機風輪葉片的槳距角，維持風力機的轉速恒定，從而調整風力機的輸出功率。目前常見的控制算法有以下幾種(I)基于魯棒控制算法的變槳距控制技術，可實現(xiàn)在有建模不確定性條件下的最大風能捕獲，在基本保證最大風能捕獲的情況下，能使轉子軸上轉矩變化的幅值減小一個數(shù)量級。魯棒控制還可以解決偏航問題，以及通過控制驅動鏈中的轉矩實現(xiàn)風能轉換系統(tǒng)中疲勞負載控制器的設計。(2)基于模糊算法的智能變槳距控制器技術，能夠有效適應非線性系統(tǒng)，變槳距模糊控制采用改變槳距角以改變空氣動力轉矩的方法來調節(jié)風力機風輪的功率系數(shù)，進而控制風力機的輸出功率。(3)基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的風電機組變槳距控制，采用神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)模糊映射過程，根據(jù)輸入-輸出訓練數(shù)據(jù)自動地提取控制規(guī)則，確定前件和后件參數(shù)。該控制器基于實時數(shù)據(jù)進行計算，能夠不斷優(yōu)化其內部參數(shù)使系統(tǒng)可以克服非線性及時變性，滿足了系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明對現(xiàn)有技術進行改進，旨在保證風電機組變槳距控制系統(tǒng)“短時”穩(wěn)定，即有限時間穩(wěn)定，控制器在不同“短時”進行切換。
本發(fā)明的技術方案為一種基于有限時間穩(wěn)定的風電機組變槳距控制方法，包括以下步驟第一步對于風電機組變槳距系統(tǒng)，建立連續(xù)時間非線性模型x(0 = f(x{t),u(t))，并由如下模糊T-S模型近似表示被控對象模型規(guī)則i (i = 1，2，· · ·，r)如果Θ j (t)為 Nil, Θ 2(t)為 Ni2 Θ 3(t)為 Ni3 那么i(i)= +其中，ejt)、Θ 2(t)和Θ 3(t)分別表示風速、風力發(fā)電機轉速和輸出功率；Nn、Ni2和Ni3分別為第i條規(guī)則中0七)、02(0和θ3α)對應的語言變量；x(t)為由槳距角、風力發(fā)電機轉速和風力發(fā)電機輸出電流構成的向量；u(t)表示期望的槳距角指令輸入；(Ai;Bi)表示第i條被控對象模型規(guī)則對應的狀態(tài)方程系數(shù)；r為控制規(guī)則數(shù)(本發(fā)明取值為9或 16)；第二步對上述模糊T-S模型進行乘積推理、重心解模糊化處理，得到如下動態(tài)模糊模型X (O = Σ ^ (61 (O) [4^ (O + (O]
;=1
h(η(Λλ_ Κ{θλΦη{θΛΦΛ^))其中，㈧卜亡Μ 、表示被控對象模型符合第i條
Σ^Ι (^l (O)^2 (^2 (0)^3 (^3 (O)
w=l
規(guī)則的程度；hn ( Θ i⑴)、hi2 ( Θ 2⑴)和hi3( Θ 3 (t))分別為Θ工⑴、Θ 2⑴和Θ 3⑴的隸屬度函數(shù)，當ejt)、θ2α)和θ3α)取為具體數(shù)值時，其對應的隸屬度函數(shù)取值分別為hn ( Θ ! (t))、hi2 ( Θ 2 ⑴)和 hi3( Θ 3⑴);第三步根據(jù)有限時間穩(wěn)定的涵義以及上述被控對象模型，設計由如下模糊T-S模型表示的控制器模型，其中，每個被控對象模型規(guī)則對應一個控制器模型規(guī)則控制器模型規(guī)則j (j = 1，2，· · ·，r)如果Θ j(t)為 Njl, Θ 2(t)為 Nj2 Θ 3(t)為 Nj3那么u(t) = KjX (t)其中，Kj為增益矩陣；對上述控制器模型進行乘積推理、重心解模糊化，整理得到如下控制器W = (^(0)^(0
/=1其中，Njk(j= I, 2,. . . , r, k = 1,2, 3)與第一步中的 Nik(i = I, 2, · · · , r, k = I,
2,3)—致，hj( Θ (t)) (j = 1,2, . . . , r)與第二步中的 Iii ( Θ ⑴)(i = I, 2, · · · , r) —致；第四步利用第三步得到的槳距角指令輸入u(t)，對槳距角、風力發(fā)電機轉速和風力發(fā)電機輸出電流進行控制。
具體實施例方式風電機組的變槳距調節(jié)原理由風能利用系數(shù)Cp = 2P/ P V3A知，風力機吸收風能產(chǎn)生的輸出功率為P =Cp P v3A/2 ;風力機將產(chǎn)生的能量轉變?yōu)闄C械能傳遞給負載，機械能表達式Pm = Tw (I)式中Pm-機械能；T-風力機扭矩；ω-風力機角速度，這里的扭矩T由負載決定，這樣由式⑴可得到ω = P Ji CpR2v3/2T·
當風力機處于一定的風速下，對于一定的負載，P、π、R亦為常量，那么轉速就取決于風能利用系數(shù)的大小，則有ω oc 。根據(jù)葉素特性理論分析風輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉時葉片的受力情況，從而得出理想情況下氣流與葉片各角的關系I = i+βtgl = ν/ωτ = I/ λ式中Ι-傾角;i-攻角槳距角;λ-尖速比。根據(jù)力的平衡關系，葉片的扭矩為T = CmP v2AR/2
VWf = ^―-
Sm/
( I ^r nC7 sin I-----cos/H CL/CD J式中Cm_扭矩系數(shù)；A-風輪的迎風面積；R_風輪半徑-X-葉片的相對風速。對于在一定轉速下運轉的風力機，當風速和風向一定時,Wr和I為定值。如果增大攻角(減小槳距角)，升力系數(shù)將增大，升阻比也將增大，扭矩系數(shù)也會增大，反之亦然。所以通過改變風力機槳距角β，就可以改變風力機的轉速，這就是風力機變槳距調節(jié)原理。通常是以風速和風力機的轉速作為葉片槳距角控制器動作的信號。有限時間穩(wěn)定由李亞普諾夫的漸進穩(wěn)定理論開始，穩(wěn)定性理論被人們廣泛的研究。在研究過程中，一般定義了一個無限的時間區(qū)間，即當時間趨于無窮時，控制系統(tǒng)誤差穩(wěn)定在一領域內。而在實際應用中，往往不考慮時間趨于無窮的穩(wěn)定情況，而僅考慮在設定時間范圍內的穩(wěn)定情況，由此引入有限時間穩(wěn)定的概念，通過穩(wěn)定要求的弱化，帶來控制系統(tǒng)的動態(tài)性能提升。定義I :對于被控對象i⑴= /(Χ( )，Μ⑷)，閉環(huán)控制系統(tǒng)被稱
為
內有限時間穩(wěn)定是指存在參數(shù)(C1, C2, T，Rc)滿足We(0,r]都有Xr(O)jRcX(O)^c1 xr (t)Rcx(t)<c2，其中 O < C1 < c2，T e R+ 以及 Rc > O。變槳距控制方法利用模糊T-S模型近似表示風電機組變槳距系統(tǒng)的連續(xù)時間非線性模型；根據(jù)獲得的模糊T-S模型，利用單點模糊化、乘積推理、重心解模糊化得到動態(tài)模糊模型；根據(jù)獲得的動態(tài)模糊模型以及有限時間穩(wěn)定涵義，設計風電機組變槳距狀態(tài)反饋控制器，并利用得到的控制器對風電機組的槳距角、風力發(fā)電機轉速和風電機組輸出電流進行控制，具體步驟如下第一步對于風電機組變槳距系統(tǒng)，建立連續(xù)時間非線性模型文⑴= /0ΦΚ))，并由如下模糊T-S模型近似表示被控對象模型規(guī)則i (i = 1，2，· · ·，r)如果Θ j (t)為 Nil, Θ 2(t)為 Ni2 Θ 3(t)為 Ni3那么= 4χ( ) + ·β,_Μ(0其中，ejt)、Θ 2(t)和03(t)分別表示風速、風力發(fā)電機轉速和輸出功率；Nn、Ni2和Ni3分別為第i條規(guī)則中0七)、02(0和θ3α)對應的語言變量；x(t)為由槳距角、風力發(fā)電機轉速和風力發(fā)電機輸出電流構成的向量；u(t)表示期望的槳距角指令輸入；(Ai;Bi)表示第i條被控對象模型規(guī)則對應的狀態(tài)方程系數(shù)；r為控制規(guī)則數(shù)(本發(fā)明取值為9或 16)；第二步對上述模糊T-S模型進行乘積推理、重心解模糊化處理，得到如下動態(tài)模糊模型
權利要求
1.一種基于有限時間穩(wěn)定的風電機組變槳距控制方法，包括以下步驟 第一步對于風電機組變槳距系統(tǒng)，建立連續(xù)時間非線性模型并由 如下模糊T-S模型近似表示 被控對象模型規(guī)則i (i = 1,2, . . . , r)如果 Q1U) % Nil, Θ 2(t) % Ni2, Θ 3(t)為 Ni3 那么義(0 = 4.4) +辦(0 其中，h(t)、Θ 2(t)和Θ 3(t)分別表示風速、風力發(fā)電機轉速和輸出功率；Nn、Ni2和Ni3分別為第i條規(guī)則中ejt)、θ2α)和θ3α)對應的語言變量；x(t)為由槳距角、風力發(fā)電機轉速和風力發(fā)電機輸出電流構成的向量；u(t)表示期望的槳距角指令輸入；(Ai, Bi)表示第i條被控對象模型規(guī)則對應的狀態(tài)方程系數(shù)；r為控制規(guī)則數(shù)(本發(fā)明取值為9或16)； 第二步對上述模糊T-S模型進行乘積推理、重心解模糊化處理，得到由如下動態(tài)模糊模型表示的被控對象模型
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于有限時間非脆/保成本穩(wěn)定的風電機組變槳距控制器設計方法利用模糊T-S模型近似表示風電機組變槳距系統(tǒng)的連續(xù)時間非線性模型；根據(jù)獲得的模糊T-S模型，利用單點模糊化、乘積推理、重心解模糊化得到動態(tài)模糊模型；根據(jù)獲得的動態(tài)模糊模型以及有限時間穩(wěn)定涵義，設計風電機組變槳距狀態(tài)反饋控制器，并利用得到的控制器對風電機組的槳距角、風力發(fā)電機轉速和風電機組輸出電流進行控制。
文檔編號H02P9/04GK102900603SQ201210347909
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權日2012年9月19日
發(fā)明者張磊, 張琨, 劉衛(wèi)朋, 趙微微, 高惠娟, 穆顯顯, 王偉朋 申請人:河北工業(yè)大學