[发明专利]基于鲁棒控制理论的最大风能捕获方法

说明书

本发明提出了一种基于鲁棒控制理论的最大风能捕获方法，其包括以下步骤：步骤1、首先对风机建模，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、扰动输入为、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机的转速，以实现最大风能捕获。本发明由于采用了增益调度控制方法，使得风力机系统对快速变化的风速具有很强的鲁棒性，保证了风力机系统的稳定运行，实现了最大风能的捕获。

技术领域

本发明涉及到风力机发电机组控制技术领域，特别涉及风力发电机低风速段最大风能捕获控制。

背景技术

风能是当今增长最快的可再生能源之一，全球可再生能源发电装机容量中风电占有压倒性优势。在过去的几十年里，装机容量以近30％速度持续增长。风力机系统是一个高阶、强耦合、高度非线性的系统。由于气动转矩的高度非线性，传统的线性控制策略在稳定性和鲁棒性上很难满足我们的控制要求。非线性控制能够提高系统的动态性能和鲁棒性，但是其稳定性分析理论不够成熟，控制方法通常存在很大的保守性。因此，研究高性能的控制技术是提高风力发电质量和保障风机系统的稳定运行的关键技术。

发明内容

本发明的目的是克服现在技术的不足，提供一种基于鲁棒控制理论的最大风能捕获方法，解决了风力机在额定风速以下效率较低问题，并保障了风速快速变化时风机的稳定运行。

风力机在低风速运行时，以获得尽可能多的功率为控制目标。其中，低风速下，最佳功率系数C_p与最佳叶尖速比λ成正比，这意味着我们通过调节风机的转速可以实现最大风能捕获。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

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、扰动输入为、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。

具体的，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