[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

说明书

本发明公开了一种用于变速风力发电机的命令滤波反步控制方法以及利用该控制方法的控制器，该用于变速风力发电机的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传动系统的动态特性，控制精度较高。

技术领域

本发明涉及一种命令滤波反步控制方法，更具体地说，涉及一种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及利用该控制方法的控制器。

背景技术

随着大气污染的日益加剧和传统化石燃料短缺造成的能源危机，以风能为代表的清洁可再生能源的利用获得了广泛的关注。风能转换系统(Wind Energy ConversionSystems，WECSs)将风能转化为电能，其主要部件是风力发电机组。风力发电机组包括定速风力涡轮机和变速风力发电机。当风速小于额定风速时，变速风力发电机能够随着风速的变化改变涡轮转速，获得每一个风速下的最大可能功率。由于风力发电机组在其使用寿命的相当一部分时间内都是在低于额定风速的情况下运行，因此变速风力发电机会捕获大量额外的能量。因此，变速风力发电机是目前主要的新装机型。

风力发电机传动系统由将风力驱动的旋转动能转化为电能的部件组成，是风力发电机中造成故障率最高的部件，因此确保传动系统的可靠性对防止风力发电机停机至关重要。随着风力发电机的功率和尺寸的增加，需要的力和扭矩也相应的增加，这使传动系统产生了较大的扭转行为。现有的动态模型大部分考虑集中的单质量传动系统动力学(即认为发电机与涡轮机连轴是刚性的，将两者看成一个整体，将两者的转动惯量经过折算得到总转动惯量建立的动力学)利用线性控制方法设计功率信号反馈控制器，忽略了所有的扭转行为对发电机组动态响应的影响，具有响应速度慢，控制精度低的问题。并且高阶系统利用传统反步控制方法通过递归构造闭环系统的Lyapunov函数来获得反馈控制器时，因为需对虚拟控制信号的重复微分，导致复杂性爆炸问题。

另外，最大功率点跟踪问题就是当变速风力发电系统在低速段(即风速在切入风速和额定风速之间)工作时的最大风能捕获问题，是利用变速风力发电机提高风能捕获效率的关键控制问题。常用的控制方法主要有：叶尖速比控制、最优转矩控制、功率信号反馈控制和干扰与观测方法。功率信号反馈控制是在最优转矩控制的基础上发展而来的，与最优转矩控制不同的是其反馈信号和参考信号是有功功率而不是转矩。

传统的功率信号反馈控制器通过仿真和现场测试产生最大输出功率特性以查表的形式存储在内存中，或者利用基于修正摄动观察方法的最优功率-速度曲线动态标定方法，以改进基于功率信号反馈的最大功率点跟踪控制方法。然而上述方法都是针对集中的单质量传动系统动力学设计的。基于功率反馈控制的最大功率点跟踪控制方法在采用传动系柔性轴模型的闭环系统上的动态影响，在现有的文献中没有涉及。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点，本发明一方面的目的在于提供一种用于变速风力发电机的命令滤波反步控制方法。该命令滤波反步控制方法针对变速风力发电机，考虑其两质量柔性轴模型，利用命令滤波反步控制方法设计功率信号反馈控制器，实现对变速风力发电机传动系统最大功率点的跟踪。

为达到上述目的，本发明提供的变速风力发电机的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传动系统的动力学方程为：

P_g＝T_gω_g (1)