一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法技术

本发明专利技术公开了一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，属于风电机组控制系统领域，其包括建立风电机组的数学模型，得到变桨距控制器输出的桨距角期望值与变桨距执行机构输出的桨距角实际值的数学表达式、设计变桨距执行机构的死区补偿器，得到桨距角补偿值的数学表达式、测量风轮机周边的风速和风力发电机输出的有功功率、计算出桨距角期望值并分别传送至变桨距执行机构和变桨距执行机构的死区补偿器、计算出桨距角实际值和桨距角补偿值并传送给风轮机的内部调相器、风轮机的内部调相器对风轮机进行调节。该方法很好的解决了风电机组运行中，变桨距执行机构死区对整个系统的干扰和影响，提升风电机组的运行状态，保证功率输出的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法
本专利技术属于风电机组控制系统领域，具体涉及一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法。
技术介绍
风能，作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，并得到快速的发展。对于风能的利用，主要依靠于风电机组来进行能量转换。风电机组控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风电机组的关键技术之一，与风电机组的其他部分关系密切，其精确的控制、完善的功能将直接影响整个机组的安全与效率。变桨距控制技术作为风电机组的一种主流控制技术已经得到了广泛的应用，然而，由于风能具有很强的随机性、间歇性和不可调控等性质，再加上变桨距执行机构存在死区以及其他诸多不确定因素，使得变桨距控制系统具有参数非线性、参数时变性、滞后性等特点，特别是变桨距执行机构死区所带来的影响，使得变桨距系统的控制调节存在偏差，造成风电机组输出功率不稳定。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法。本专利技术的技术方案：步骤1：建立风电机组的数学模型，得到变桨距控制器输出的桨距角期望值βr与变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式：式中：τ为时间常数；s为复频率，是傅里叶变换的补充。同时得到风轮机捕获风功率能力的数学表达式：式中：Cp(λ，β)为风能利用系数。步骤2：根据步骤1得到的变桨距控制器输出的桨距角期望值βr与变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式，设计变桨距执行机构的死区补偿器，得到桨距角补偿值Δβr的数学表达式，按如下步骤进行：步骤2.1：建立变桨距执行机构死区的数学模型；本专利技术中所使用的变桨距执行机构死区的数学模型如下所示：式中：D′(u)表示关于变桨距执行机构死区的函数表达式；br为离开变桨距执行机构死区上限风速大小，m/s；bl为进入变桨距执行机构死区下限风速大小，m/s；u为变桨距执行机构死区的输入；gr(u)为当u≥br时变桨距执行机构死区函数表达式；gl(u)为当u≤bl时变桨距执行机构死区函数表达式；步骤2.2：对非线性动态函数f(x)的估计；f(x)＝W1*Tσ(V1TX1)+ε1(4)式中：X1＝[x1x2…xn1]T∈Rn+1；V1为第一神经网络输入层与隐含层之间的权矩阵；W1*为第一神经网络隐含层与输出层之间的理想权矩阵；ε1为第一神经网络重构误差；σ为激活函数，具体形式为考虑到阈值作用，本专利技术的激活函数选为其中，本专利技术中有l为隐含层节点数，z代表整个系统的广义输出；而实际的第一神经网络的输出为式中，W1为第一神经网络隐含层与输出层之间的实际权矩阵；则第一神经网络估计误差可以表示为式中：为神经网络权值估计误差；步骤2.3：设计变桨距执行机构死区的补偿器，得到桨距角补偿值Δβr的数学表达式；在补偿器设计中利用第二神经网络的输出抵消由变桨距执行机构死区引起的系统调节误差η(u)，其中第二神经网络输入为uc；利用第二神经网络得到桨距角补偿值Δβr的广义数学表达式为式中：W2为第二神经网络隐含层与输出层之间的实际权矩阵；X2＝[x1x2…xn1]T∈Rn+1；V2为第二神经网络输入层与隐含层之间的权矩阵；ε2为第二神经网络重构误差。步骤3：利用风速传感器测量风轮机周边的风速v，利用霍尔电压、电流传感器分别测得风力发电机输出的电压和电流，两者相乘得到风力发电机输出的有功功率P。步骤4：变桨距控制器计算出桨距角期望值βr并分别传送至变桨距执行机构和变桨距执行机构的死区补偿器；步骤5：变桨距执行机构计算出桨距角实际值β并传送给风轮机的内部调相器，同时，变桨距执行机构的死区补偿器计算出桨距角补偿值Δβr并传送给风轮机的内部调相器；步骤6：根据接收到的桨距角值，即桨距角实际值β和桨距角补偿值Δβr，风轮机的内部调相器对风轮机进行调节。有益效果：变桨距执行机构中存在死区并且风电机组受其很大影响的风险是客观存在的，因此构建一套完善的专用于风电机组的含有死区补偿器的变桨距控制方法具有迫切性和必要性。本专利技术的变桨距控制方法解决了以下几个存在的问题：(1)考虑到风电机组中的数据量具有模糊性、随机性、不确定性和冗余性等特点，利用本专利技术的变桨距控制方法，成功克服了目前现有技术只能将变桨距执行机构死区看作理想状态而无法去实际解决的缺点；(2)提高了风电机组的整体性能及变桨距系统的控制精度，基本消除了变桨距执行机构死区对风电机组的影响。专门用于风电机组的含有死区补偿器的变桨距控制方法的使用，很好的解决了风电机组运行中，变桨距执行机构死区对整个系统的干扰和影响，能够很好的提升风电机组的运行状态，保证功率输出的稳定性。附图说明图1为本专利技术一种实施方式的风电机组变桨距控制结构示意图；图2为本专利技术一种实施方式的变桨距执行机构的死区区域示意图；图3为本专利技术一种实施方式的含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法流程图；图4为本专利技术一种实施方式的含有死区补偿器的风电机组变桨距控制结构示意图；图5为本专利技术一种实施方式的风轮机转速仿真图；图6为本专利技术一种实施方式的风力发电机输出功率仿真图。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、所达成目的及效果，下面结合附图及具体实施方式作进一步详细说明。如附图1所示，为一个未加死区补偿器的风电机组变桨距控制结构示意图，包括风轮机、传动系统、风力发电机和变桨距系统，变桨距系统又包括变桨距控制器和变桨距执行机构。风轮机是风电机组的原动件，用于捕获风能；传动系统将风轮机捕获的风能传递给风力发电机；风力发电机经过电磁转换，输出有功功率，变桨距系统则是通过调节风轮机的桨距角来调节风能捕获大小，从而来保证风电机组能够输出恒定的功率值，符合系统要求。其中，变桨距控制器根据接收的风力发电机输出的有功功率P和风轮机周边的风速v，利用风电机组的数学模型计算出应该调节的桨距角期望值βr，并将该值传送给变桨距执行机构来执行。然而，由于变桨距执行机构存在死区，如附图2所示，在风速v高于额定风速v1小于切出风速v2时，变桨距系统开始工作，也就是附图2中的区域2。在这段区域内，由于变桨距执行机构存在死区，导致最终变桨距执行机构执行时所传送给风轮机的桨距角值并不是βr，而是产生一定偏差的桨距角值实际值β，也就是变桨距执行机构实际输出桨距角值，所产生的偏差量大小为β′＝βr-β。由于存在一定偏差，故而导致风轮机的内部调相器并未将风轮机调节到所应调节的部位，从而影响了风力发电机的有功功率P的输出。基于此，在本专利技术中通过设计一个变桨距执行机构的死区补偿器产生一个桨距角补偿值Δβr来抵消桨距角偏差量β′，使得最终传送到风轮机内部调相器的桨距角值尽量达到桨距角期望值βr。本实施方式的含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，如图3所示，包括如下具体步骤：步骤1：建立风电机组的数学模型，得到变桨距控制器输出的桨距角期望值βr的数学表达式、变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式；步骤1.1：建立风轮机的数学模型；风轮机是将风能转化为机械能的装置，根据贝茨理论，风轮机从风能中捕获的功率和机械转矩为：式中：Pr为风轮机捕获的功率，w；Tr为风轮的机械转矩，N·m；λ为叶尖速比；ρ为空气的密度，kg/m3；R为风轮的半径，m；v为风速，m/s；β为桨距角实际值，rad；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立风电机组的数学模型，得到变桨距控制器输出的桨距角期望值βr的数学表达式、变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式；步骤2：根据步骤1的结果，设计变桨距执行机构的死区补偿器，得到桨距角补偿值的数学表达式；步骤3：测量现场风轮机周边的风速v和风力发电机输出的有功功率P并传送至变桨距控制器；步骤4：变桨距控制器计算出桨距角期望值βr并分别传送至变桨距执行机构和变桨距执行机构的死区补偿器；步骤5：变桨距执行机构计算出桨距角实际值β并传送给风轮机的内部调相器，同时，变桨距执行机构的死区补偿器计算出桨距角补偿值Δβr也传送给风轮机的内部调相器；步骤6：根据接收到的桨距角值，即桨距角实际值β和桨距角补偿值Δβr，风轮机的内部调相器对风轮机进行调节。

【技术特征摘要】
1.一种含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立风电机组的数学模型，得到变桨距控制器输出的桨距角期望值βr的数学表达式、变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式；步骤2：根据步骤1的结果，设计变桨距执行机构的死区补偿器，得到桨距角补偿值的数学表达式；步骤3：测量现场风轮机周边的风速v和风力发电机输出的有功功率P并传送至变桨距控制器；步骤4：变桨距控制器计算出桨距角期望值βr并分别传送至变桨距执行机构和变桨距执行机构的死区补偿器；步骤5：变桨距执行机构计算出桨距角实际值β并传送给风轮机的内部调相器，同时，变桨距执行机构的死区补偿器计算出桨距角补偿值Δβr也传送给风轮机的内部调相器；步骤6：根据接收到的桨距角值，即桨距角实际值β和桨距角补偿值Δβr，风轮机的内部调相器对风轮机进行调节。2.根据权利要求1所述的含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述的步骤1中得到的变桨距控制器输出的桨距角期望值βr的数学表达式、变桨距执行机构输出的桨距角实际值β的数学表达式，为共同的一个关系式，如式(1)所示：式中：τ为时间常数；s为复频率，是傅里叶变换的补充；同时得到风轮机捕获风功率能力的数学表达式，如式(2)所示：式中：Cp(λ，β)为风能利用系数。3.根据权利要求1所述的含有死区补偿器的风电机组变桨距控制方法，其特征在于：所述步骤2中的设计变桨距执行机构的死区补偿器，得到桨距角补偿值Δβr的数学表达式，方法按如下步骤进行：步骤2.1：建立变桨距执行机构死区的数学模型；变桨距执行机构死区的数学模型如式(3)所示：

【专利技术属性】
技术研发人员：王占山，沈政委，蔡超，刘磊，王继东，侯硕楠，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21