[发明专利]基于鲁棒控制理论的最大风能捕获方法

权利要求书

1.基于鲁棒控制理论的最大风能捕获方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、首先对风力机建模，包括对风速建模、气动系统建模、传动系统建模、功率系统建模、桨距子系统建模，还包括通过在平衡点或者运行点线性化获取风力机系统的LPV模型；选取调度变量、状态变量、扰动输入、控制输入，得到系统状态方程；

步骤2、把风力机系统状态方程转换为具有多胞形结构的线性变参数模型，并通过求解线性矩阵不等式得到具有多胞形结构的LPV控制器矩阵，使用该控制器来调节风力机的转速，以实现最大风能捕获；

其中，步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、首先对风速进行建模

其中v_w(t)为有效风速，是有效风速的低频部分，v_ws(t)是有效风速的风切变部分，v_ts和v_tu分别为有效风速的塔影效应和湍流效应部分；

步骤1.2、气动系统建模

ρ为空气密度，v_w为风速，R为叶轮半径，C_p(λ,β)为功率系数，C_q(λ,β)为转矩系数，其中λ为叶尖速比，β为桨距角，P_wt为风力机输出的捕获功率；且λ＝ω_rR/v_w，ω_r为风轮转子转速，风能转换为机械能的效率由C_p(λ,β)决定；

步骤1.3、传动系统建模

N_g为齿轮箱传动比，J_r、J_g分别为低速轴和高速轴的转动惯量，B_r、B_g分别为低速轴和高速轴的粘性摩擦系数，η_dt为传动效率,B_dt为传动机构扭转阻尼系数，K_dt为刚度系数，θ_Δ为扭转角度，T_g为发电机转矩，ω_g和ω_r分别为高速轴、低速轴的转速；

步骤1.4、功率系统建模

P_g(t)＝η_gω_g(t)T_g(t)

τ_g为一阶系统的时间常数，η_g为发电机的输出效率，T_g,ref(t)为发电机转矩参考输出，P_g(t)为发电机产生的电能；

步骤1.5、桨距子系统建模

β为桨距角，ξ为阻尼系数，ω_n为自然频率，β_ref为期望桨距角；

步骤1.6、风力机系统是一个非线性、时变的系统，通过在平衡点或者运行点线性化能够获取其LPV模型；气动转矩T_a在运行点线性化如下

步骤1.7、以上步骤1.1～1.6的模型在一起构成了风力机对象的LPV模型，选取调度变量状态变量扰动输入为控制输入然后得到系统状态方程

步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、多胞形是一类时变系统，表示如下

z＝C₁(θ)x+D₁₁(θ)ω+D₁₂(θ)u

y＝C₂(θ)x+D₂₁(θ)ω+D₂₂(θ)u

选择调度变量θ＝[θ₁ θ₂…θ_n]^T，其顶点集V:＝{v₁,v₂,…,v_n}，θ是一种变参数，由凸分解，θ能够用多胞形上的n个顶点表示：

系统矩阵在多胞形内的取值表示为：

其中S₁,…,S_n分别为多胞形n个顶点处的系统矩阵，B₂、C₂、D₁₂和D₂₁均为参数独立矩阵且D₂₂＝0；

步骤2.2、对于多胞形系统，在调度变量的每一个顶点分别设计输出反馈H_∞控制器；

u＝K(s)y

u＝C_k(θ)x_k+D_k(θ)y

K₁,…,K_n分别为多胞形顶点的控制器矩阵；

闭环系统能够表示为：

z＝C_cl(θ)x_cl+D_cl(θ)ω

步骤2.3、时变系统存在n阶增益调度输出反馈控制器使得闭环系统是二次稳定且从ω到z的传递函数的H_∞范数小于γ＞0的充分必要条件是对于多胞形所有顶点V:＝{v₁,v₂,…,v_n}，存在对称矩阵X，Y和矩阵使得：

其中i＝1,…,n；若上述两个不等式有可行解X，Y和则多胞形顶点控制器矩阵能够通过以下步骤求得：

先对矩阵I-XY进行奇异值分解得到满秩矩阵MN^T＝I-XY

则控制器矩阵计算公式如下：

使用以上控制器矩阵所定义的控制器来调节风力机的转速，来实现最大风能捕获。