[发明专利]一种双馈风力机最大风能捕获自抗扰非线性控制方法

说明书

本发明公开了一种双馈风力机最大风能捕获自抗扰非线性控制方法，涉及双馈风机变流器控制领域。首先，本发明基于最佳叶尖速比，得到双馈风机的最佳参考转速作为外环的转速参考值，通过直接转速控制实现风力机的最大风能捕获控制，并采用扩张状态观测器对外环转子转速及系统综合扰动进行观测，以提高系统的抗干扰能力。接着，对基于定子磁链定向的转矩内环采用反馈线性化解耦控制，用以表征双馈风电机组的非线性特性。最后结合滑模控制，提出了转速外环自抗扰滑模控制器和转矩内环反馈线性化滑模控制器相结合的双闭环控制策略，提高了系统的鲁棒性及动态响应速度。因此，双馈风电机组的最大风能捕获能力得到了进一步提升。

技术领域

本发明涉及一种结合自抗扰滑模和反馈线性化滑模的双馈风电机组最大风能捕获非线性控制方法，涉及双馈风机变流器控制领域。

背景技术

变速恒频双馈风电机组是目前风电市场中备受青睐的机型之一，具有励磁变流器容量小、成本低等特点，具有很高的能量转换效率和良好的电能质量。双馈风电机组运行控制的核心是对其变流器的控制，网侧变流器主要是用来维持直流母线电压的稳定，以及使能量能够双向流动，机侧变流器则主要是用以变速恒频控制，以及双馈风电机组的最大风能捕获控制。其中风电机组最大风能捕获的控制研究是国内外一直以来研究的热点。

陈天立等基于双馈风电机组的功率解耦控制，通过模糊控制器实时调节控制器参数，提高了系统的鲁棒性和动态响应速度。张鲁华等提出将反馈线性化控制引入到双馈风电机组的功率解耦控制中，所设计的控制器实现了有功、无功的完全解耦，提高了系统的动态性能及响应速度。田友飞等基于空气动力转矩和风速估计并结合反馈线性化理论设计了一种非线性控制器，简化了系统控制结构,并实现了铜耗最小化。张维奇等将鲁棒滑模控制用于双馈风机的最大风能捕获，提高了系统的抗干扰能力且风机的风能利用率得到了提升。刘英培等将自抗扰控制与无源控制相结合，所设计的控制器能够对系统扰动进行实时估计并及时补偿，提高了系统的鲁棒性。这些方法都在一定程度上优化了双馈风机控制系统，取得了一定的研究成果，促进了风力机技术的发展。

但是在系统出现设备陈旧、外部扰动、模型失准、参数漂移等情况下，控制效果会出现不稳定的问题，无法保持对目标设定值的稳定控制。而且针对非线性双馈风电系统多变量、强耦合的特征，为了提高风电系统的控制性能，必须考虑非线性和不确定因素。针对双闭环矢量PID控制器的不足，需要考虑使用抗内外扰动能力强，对模型精度依赖性低，鲁棒性强的控制器，使得当系统出现参数漂移，外部扰动等情况，都能得到很好的控制效果，提高双馈风电机组的最大风能捕获能力。本发明通过使用扩张观测器，提升了系统对内外扰动的抗干扰能力，通过对转矩内环线性化解耦在一定程度降低了对模型的依赖程度，并结合滑模控制提高了系统的鲁棒性。

发明内容

低于额定风速时，双馈风电机组的最大风能捕获控制是研究的热点问题之一。传统双馈风电系统的变流器控制使用PID控制器对目标进行反馈控制，但是在系统出现设备陈旧、外部扰动、模型失准、参数漂移等情况下，需要考虑使用抗内外扰动能力强，对模型精度依赖性低，鲁棒性强的自抗扰控制来改进PID控制。针对双馈风电机组时变、强耦合、高阶非线性的特点，需要釆用反馈线性化解耦控制的方法来表征双馈风机的非线性特性。而且，针对PID控制系统的响应速度慢，受参数变化影响较大的问题，本发明提出了将扩张状态观测器、反馈线性化解耦与滑模变结构控制相结合的双闭环非线性控制策略。

本发明建立双馈风电机组模型，分析系统特点，结合自抗扰滑模和反馈线性化滑模的双馈风电机组最大风能捕获非线性控制方法。首先，对转速外环采用扩张状态观测器观测转子转速和内外扰动并进行负载前馈补偿，输出电磁转矩作为内环线性化解耦的输入变量，基于定子磁链定向对转矩内环进行反馈线性化解耦。最后，结合滑模变结构控制，获得转速外环自抗扰滑模控制器和转矩内环反馈线性化滑模控制器的控制律。通过双闭环非线性控制策略提高了系统的鲁棒性及响应速度。

鉴于此，本发明采用的技术方案是：双馈风机最大风能捕获自抗扰非线性控制方法，包括以下步骤：