[发明专利]用于变速风力发电机的命令滤波反步控制方法及控制器

权利要求书

1.一种用于变速风力发电机的命令滤波反步控制方法，其特征在于，所述命令滤波反步控制方法通过引入两质量模型来描述变速风力发电机的传动系统的动态特性，

其中，所述风力发电机的传动系统具有涡轮机和发电机，并且所述涡轮机和所述发电机通过柔性轴连接，

所述两质量分别为所述涡轮机和所述发电机的惯量，以及

所述变速风力发电机的传动系统的动力学方程式为：

P_g＝T_gω_g (1)

其中表示涡轮机的旋转加速度，表示轴扭转位移的导数，表示发电机转速的加速度，状态变量ω_t，θ_sh和ω_g分别表示涡轮机的旋转速度，轴的扭转位移和发电机的转速，T_g表示发电机电磁转矩，K_sh表示轴的刚度，为常数，J_t和J_g分别表示涡轮机和发电机的惯量，P_g表示发电机输出功率，T_t表示涡轮的气动力矩，为非线性函数，定义为：

其中ρ和R分别表示空气密度和涡轮机叶片半径，v为风速，C_p是功率系数，取决于叶片的桨距角β和叶尖速比λ。

2.根据权利要求1所述的用于变速风力发电机的命令滤波反步功率信号反馈控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

第1步，进行坐标变换：

令z₁＝T_gω_g-P_d，

其中Z₁、Z₂、Z₃分别表示输出和状态的跟踪误差，P_d表示参考功率，表示虚拟控制器α_i，i＝2，3的一阶命令滤波器的输出，它的定义是：

其中ε_i表示所述滤波器的滤波系数，表示的导数，α₁和α₂分别表示两个虚拟控制信号，

令

根据动力学方程式(1)，可以推导出状态变量z的动态方程式(3)：

其中分别表示跟踪误差的导数，表示发电机电磁扭矩的导数；

第2步，为了消除误差的影响，定义误差补偿信号ξ_i，i＝1，2，3，其动态方程如下：

其中l_i＞0和k_i＞0为设计参数，

定义补偿跟踪误差为：s_i＝z_i-ξ_i，i＝1，2，3 (5)

将式(3)和式(4)代入式(5)得到补偿跟踪误差的导数：

第3步，为了推导虚拟控制信号，定义二次函数V₁表示补偿跟踪误差s₁的能量函数，其导数为：

定义虚拟控制信号α₁为：

第4步，令V₂表示补偿跟踪误差s₁和s₂的能量函数，其导数为：

定义虚拟控制信号α₂为：

第5步，令V₃表示补偿跟踪误差s₁，s₂和s₃的能量函数，其导数为：

发电机的电磁转矩T_g由下面的等式产生：

3.根据权利要求1所述的用于变速风力发电机的命令滤波反步控制方法，其特征在于，所述方法使得在低速区域内工作的变速风力发电机的输出功率能够跟踪涡轮，从而从风中捕获的最大能量：

其中C_pmax表示C_p(λ，β)在取β＝0deg和最优叶尖速比λ_opt时的最大值，ρ表示空气密度，R表示涡轮叶片半径，V表示风速。