基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法，根据转矩、桨距环节的动态特性，设计动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块，变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块以及对控制器参数进行整定，进一步降低湍流风况下风电机组功率、转速的波动；本发明专利技术设计合理的转矩—变桨解耦控制策略，保证两个LADRC控制器之间的切换，防止风电机组在额定风速附近出现控制失稳的现象。电机组在额定风速附近出现控制失稳的现象。电机组在额定风速附近出现控制失稳的现象。

【技术实现步骤摘要】
基于双自抗扰控制器的风电机组转矩
—
桨距控制方法


[0001]本专利技术涉及风力发电控制
，更具体地说，涉及一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法。

技术介绍

[0002]随着风电机组向着大型化、智能化方向发展，先进的风电机组控制算法对机组安全、稳定运行至关重要。目前风电机组全风速段的控制主要采用两个PID控制器实现，即低风速段的转矩PID控制、高风速段的桨距PID控制以及额定风速附近的转矩和桨距解耦控制环节。由于PID控制算法是以转速的误差作为输入，而转速的变化经过风电机组的机械传动机构后，与风速的变化相比存在明显的滞后，而且在实际控制中，测量的转速信号还要经过滤波环节才能引入转矩和变桨控制环节中，这样导致了风电机组控制系统不能够及时地对风速的变化产生反应，系统的抗扰性较差，影响系统的安全、稳定运行。所以，本专利技术采用LADRC控制器作为转矩—桨距的主控制器，能够实现对被控量转速以及系统总扰动的实时估计，增强风电机机组的抗扰性能。
[0003]对于风电机组的控制，国内外学者已经开展了广泛的研究。在转矩控制方面，提出了一种动态变限的转矩控制策略，该控制策略是基于传统的PI控制器。另外有研究者采用了模糊滑模变结构控制技术实现了对机组转矩控制的优化，该方法在制定模糊规则时依赖长期的运行调试经验。在桨距控制方面，有研究者采用线性和非线性控制器对传统PID变桨控制算法进行了优化和改进，只考虑了额定风速以上的变桨距控制，缺乏额定风速以下的转矩控制，未实现全风况下的风电机组控制。针对转矩PI和桨距PI在额定风速附近存在耦合的问题，一些研究人员提出了各自的解耦方法，但是都是基于传统的PI控制器，也并未深入探讨解耦后的控制算法对机组载荷的影响。自抗扰控制器是我国中科院研究员韩京清先生经过多年研究，提出的一种新型控制器，目前，有学者已经将自抗扰控制技术已应用于风电机组的控制，主要偏向于风电机组在额定风速以上的变桨控制以及风电机组的变流器控制，而针对全风速段的双自抗扰(LADRC)控制策略还未见相关研究报道。和传统PI控制相比，探究利用双LADRC重新设计风电机组的转矩和桨距控制环节后给风电机组带来的影响具有重要的工程实践意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法，通过一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制算法进行控制，所述控制算法包括：动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块，变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块；
[0006]所述控制方法包括步骤：
[0007]通过系统闭环零极点的离线分析模块，构建风电机组的非线性模型，针对转矩和桨距控制环节做开环仿真实验，获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数；
[0008]将一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的控制参数按照离线分析模块仿真得到的最优控制参数进行部署；
[0009]测量实时风速，若实时风速低于额定风速，则通过一阶LADRC转矩控制模块对风电机组的转矩进行控制；
[0010]在一阶LADRC转矩控制模块对风电机组转矩的控制过程中，控制器切换控制模块判断风电机组的实时功率是否达到额定功率，若达到额定功率，则结合前一时刻的桨距角指令进行一阶LADRC转矩控制模块向二阶LADRC变桨控制模块的切换，实现通过二阶LADRC变桨控制模块进行桨距的控制。
[0011]其中，动态变限的一阶LADRC转矩控制模块包括一阶LADRC转矩控制器，其公式表示如公式(1)所示：
[0012][0013]其中，表示一阶LADRC中状态观测器的状态变量，z
A1
、z
A2
分别与Ω、f的观测值相对应；Ω表示实际转速信号；f表示转矩控制环节的总扰动；表示状态观测器的状态矩阵；表示状态观测器的控制矩阵，b
A0
为给定的非零常数；表示状态观测器的观测矩阵，w
Ao
为观测带宽；表示状态观测器的输出矩阵；表示状态观测器的输出；T
em
表示控制器的输出转矩指令；k
pA
表示控制器的比例系数；Ω
r
表示转速的控制目标值。
[0014]其中，根据转速滤波后的值Ω
F
和桨距角的给定值θ
r
实现转速控制目标值、一阶LADRC转矩控制器输出的最大值T
emmax
和最小值T
emmin
的动态给定，包括步骤：
[0015]当转速的滤波值Ω
F
不大于机组最小转速Ω
min
和额定转速Ω
N
的均值且桨距角的给定值θ
r
维持在最小值不变时，转速的控制目标指令为风电机组最小转速Ω
min
，一阶LADRC转矩控制器的最大输出为k表示转矩系数，控制器的最小输出为0；
[0016]当转速的滤波值Ω
F
大于机组最小转速Ω
min
和额定转速Ω
N
的均值且桨距角的给定值θ
r
维持在最小值不变时，转速的控制目标指令为机组额定转速Ω
N
，一阶LADRC转矩控制器的最大输出为P
N
/Ω
F
，P
N
表示风电机组发电机的额定功率，控制器的最小输出为
[0017]当转速的滤波值Ω
F
大于机组最小转速Ω
min
和额定转速Ω
N
的均值且桨距角的给定值θ
r
产生变化时，转速的控制目标指令为机组额定转速Ω
N
，一阶LADRC转矩控制器的最大输
出为P
N
/Ω
F
，控制器的最小输出也为P
N
/Ω
F
。
[0018]其中，二阶LADRC变桨控制模块包括二阶LADRC桨距控制器，其公式表示如公式(2)所示：
[0019][0020]式中：表示二阶LADRC桨距控制器中状态观测器的状态变量，z
B1
、z
B2
、z
B3
分别与Ω、f
B
的观测值相对应；Ω表示实际的转速信号，表示转速的微分，表示状态变量的微分，f
B
表示桨距控制环节的总扰动，表示状态观测器的状态矩阵；表示状态观测器的控制矩阵，b
B0
为给定的非零常数；表示状态观测器的观测矩阵，w
Bo
为二阶LADRC桨距控制器的观测带宽；表示状态观测器的输出矩阵；表示状态观测器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法，其特征在于，通过一种基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制算法进行控制，所述控制算法包括：动态变限的一阶LADRC转矩控制模块、控制器切换控制模块，变带宽的二阶LADRC变桨控制模块和参数整定采用系统闭环零极点的离线分析模块；所述控制方法包括步骤：构建风电机组的非线性模型，针对转矩和桨距控制环节做开环仿真实验，通过系统闭环零极点的离线分析模块，获取一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的最优控制参数；将一阶LADRC转矩控制模块和二阶LADRC变桨控制模块的控制参数按照离线分析模块仿真得到的最优控制参数进行部署；测量实时风速，若实时风速低于额定风速，则通过一阶LADRC转矩控制模块对风电机组的转矩进行控制；在一阶LADRC转矩控制模块对风电机组转矩的控制过程中，控制器切换控制模块判断风电机组的实时功率是否达到额定功率，若达到额定功率，则结合前一时刻的桨距角指令进行一阶LADRC转矩控制模块向二阶LADRC变桨控制模块的切换，实现通过二阶LADRC变桨控制模块进行桨距的控制。2.根据权利要求1所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法，其特征在于，动态变限的一阶LADRC转矩控制模块包括一阶LADRC转矩控制器，其公式表示如公式(1)所示：其中，表示一阶LADRC中状态观测器的状态变量，z
A1
、z
A2
分别与Ω、f的观测值相对应；Ω表示实际转速信号；f表示转矩控制环节的总扰动；表示状态观测器的状态矩阵；表示状态观测器的控制矩阵，b
A0
为给定的非零常数；表示状态观测器的观测矩阵，w
Ao
为观测带宽；表示状态观测器的输出矩阵；表示状态观测器的输出；T
em
表示控制器的输出转矩指令；k
pA
表示控制器的比例系数；Ω
r
表示转速的控制目标值。3.根据权利要求2所述的基于双自抗扰控制器的风电机组转矩—桨距控制方法，其特征在于，根据转速滤波后的值Ω
F
和桨距角的给定值θ
r
实现转速控制目标值、一阶LADRC转矩控制器输出的最大值T
emmax
和最小值T
emmin
的动态给定，包括步骤：当转速的滤波值Ω
F
不大于机组最小转速Ω
min
和额定转速Ω
N
的均值且桨距角的给定值θ
r
维持在最小值不变时，转速的控制目标指令为风电机组最小转速Ω
min
，一阶LADRC转矩控
制器的最大输出为k表示转矩系数，控制器的最小输出为0；当转速的滤波值Ω
F
大于机组最小转速Ω
min
和额定转速Ω
N
的均值且桨距角的给定值θ
r
维持在最小值不变时，转速的控制目标指令为机组额定转速Ω
N
，一阶LADRC转矩控制器的最大输出为P
N
/Ω
F
，P
N
表示风电机组发电机的额定功率，控制器的最小输出为当转速的滤波值Ω
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灵梅，贾成真，孟恩隆，李永龙，司荣国，耿淑强，王凯林，刘玉山，王强，姬继文，尹少平，韩磊，程江涛，贾建华，董小录，杨晋东，赵峰，赵小明，
申请(专利权)人：山西健科科技有限公司青海绿电分布式能源有限责任公司晋控电力山西新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：