[发明专利]一种基于动态多模型预测控制器的风机有功功率跟踪方法

权利要求书

1.一种基于动态多模型预测控制器的风机有功功率跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：

建立风机的各非线性模型，并在各个工况点处分别将各所述非线性模型线性化和离散化，获得所述风机的线性多工况多模型；

根据所述风机的所述线性多工况多模型，搭建模型预测控制器；

根据所述风机实际的运行状态去更新矫正所述模型预测控制器中模型的参数，搭建动态多模型预测控制器；

基于实际实验平台或高保真仿真软件，验证所述动态多模型预测控制器在风机有功功率追踪上的有效性；

所述建立风机的各非线性模型，并在各个工况点处分别将各所述非线性模型线性化和离散化，获得所述风机的线性多工况多模型，包括：

基于风机的机理理论建立所述风机的各非线性模型，所述风机的各非线性模型包括非线性气动模型、非线性传动模型、非线性发电机模型和非线性伺服机构模型；

根据所述风机在各个风况下的动态特性，利用泰勒展开建立多个小信号线性模型，并根据所述小信号线性模型，建立所述风机的小信号连续状态间表达式；

对所述小信号连续状态空间表达式离散化，获得所述风机的线性多工况多模型；

所述风机的各非线性模型如下：

对于风机的气动系统：

根据空气动力学理论，风机转子捕获到气动转矩T_r表示为下述关系式(1)：

其中，ρ为空气密度，R是转子半径，v是风流经转子的平均风速，C_P(λ,β)是气动功率系数，β为实际桨距角，λ是叶尖速比，表示为ω_rR/v，ω_r是转子转速，C_P用经验公式写为下述关系式(2)：

其中，λ^*为拟合风能利用系数的中间变量，为了简化(2)式的表达引入；

对于风机的传动系统：

假设风机的高速轴和低速轴为柔性轴，建立传动系统双质块模型，得到传动系统的动态方程为下述关系式(3)：

其中，J_r和J_g分别为转子和发电机转动惯量，N为齿轮箱变速比，K_s为中间轴刚度，B_s为中间轴阻尼系数，T_g为发电机电磁转矩，T_s为中间轴转矩，ω_g为发电机转速，φ为转轴扭角；

对于风机的伺服机构：

变桨距系统是一种非线性伺服机构，等效成具有限幅和限速环节的二阶系统，如下述关系式(4)：

其中，β^*为桨距角参考值，一般为桨距控制器的输出；ω_n为桨距执行机构自然角频率，ξ为桨距执行机构的阻尼系数；

对于风机的发电机：

忽略非重点的变流器模型，将发电机视为转矩源，等效成一阶惯性环节，其动态方程表示为下述关系式(5)：

其中，T^*为电磁转矩参考值，一般为电磁转矩控制器的输出；τ_g为电磁转矩一阶惯性时间常数，η为发电机效率，P_g为发电机输出功率；

将风机中的非线性动态方程在工况点利用泰勒展开进行小信号线性化，得到小信号线性模型，如下述关系式(6)：

根据上述关系式(6)，建立所述风机的小信号连续状态空间表达式，如下述关系式(7)：

其中，u＝[δT^*,δβ^*,δv]^T，y＝[δP_g]^T；

C＝[0 0 0 0 η 1]D＝[0 0 0]；

将所述小信号连续状态空间表达式离散化，如下述关系式(8)：

其中，

所述根据所述风机的所述线性多工况多模型，搭建模型预测控制器，包括：

在不同工况下离线计算得到的模型参数A_d,B_d,C组成离线参数库，具体包括确定预测时域N_p和控制时域N_c，确定预测控制的目标函数和约束条件，如下述关系式(9)至(13)：

s.t.0≤β₀+δβ≤β_max； (10)

|δβ|≤Δβ_max (11)

T_g，min≤T_g，0+δT_g≤T_g，max (12)

|δT_g|≤ΔT_g,max (13)

其中，下标中出现的min表示该参数允许的最小取值，max表示该参数允许的最大取值，Δ表示该参数的变化速率，下标中出现0表示该参数在该工况下的稳态值；

模型预测控制器的运行控制计算具体过程如下：

a2)、在k时刻根据工况与风机运行状态，从模型参数库中取相应参数给模型预测控制器，用以下面的计算；

b2)、根据离散线性状态空间表达式计算出x(k+1),x(k+2),…,x(k+N_p)状态的模型预测值，以及y(k+1),y(k+2),…,y(k+N)输出的模型预测值；

c2)、使用Matlab内的优化求解器fmincon根据模型预测值求解上述带有约束的目标优化问题，得到u(k),u(k+1),…,u(k+N_c)控制器的优化输出；

d2)、使用u(k)最为当前控制器的输出值，在计算下一步输出值的时候返回步骤a2)实现滚动优化，从而保证每步控制器的输出均是根据目标优化后的值。