一种风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法与流程

本发明涉及风机发电技术领域，具体涉及一种基于奇异ii型模糊模型的风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法。

背景技术：

随着环境污染的加剧，人们开始加大新能源发电系统的建设。清洁能源的典型代表风机发电系统投资成本高，因此保证其最大发电功率显得非常重要。传统的风机发电最大功率追踪控制无法保证快速的跟踪效果且大多数所提出的控制理论缺乏严格的定性与定量分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法，该方法可以实现最大功率追踪，提高风机发电效率。

本发明采用以下方案实现：一种风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法，包括以下步骤：

步骤s1：搭建风机发电偏航控制系统100，所述风机发电偏航控制系统包括风机发电机组10和最大功率追踪滑膜输出反馈控制器20；

步骤s2：根据物理学原理，建立具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型，并表达为奇异ii型模糊系统模型；

步骤s3：基于所述数学模型，设计有限时间滑膜输出反馈控制器；

步骤s4：求出闭环控制系统到达滑膜面的时间t^*；

步骤s5：求出闭环控制系统在t^*时刻的最大发电功率参考角速度误差值。

进一步地，步骤s2中，建立具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型并表达为奇异ii型模糊系统模型，包括如下步骤：

步骤s21：考虑风机转子动态模型如下：

式中，pa表示气动功率，参数ρ、r、cp、β和v分别表示空气密度、转子半径、功率系数、桨叶角和风速；叶尖速比λ定义如下：

式中，参数ωt表示转子速度；

转矩ta的动力学方程如下：

转子侧的惯性jr动态方程如下：

式中，br是转子的阻尼，低速转子转矩tls被定义为：

tls＝kls(θt-θls)+kls(ωt-ωls)(5)

式中，kls表示低速侧转轴的刚度，θt表示转子侧角偏差，θls表示变速箱侧角偏差，ωt表示转子侧角速度，ωls表示变速箱侧角速度，那么有：

式中，参数jg和tem分别是发电机的惯性和电磁转矩，ths表示高速侧的转子转矩，bg表示发电机外部阻尼，ωg表示发电机角速度；

进一步定义减速比ng，得到：

根据空间矢量的表达，定子电压在旋转d-q轴的参考框架下可以表达为：

式中，ud和uq是d轴和q轴的定子电压，φd和φq是d轴和q轴的定子电流，rs是定子绕组阻抗，m是级数，ωg是定子的电角速度，ψq和ψd是d轴和q轴的磁通，表达为：

式中，ld和lq是d轴和q轴的的电感，ψm是磁链；

随着公式(1)-(9)，得到：

式中，

步骤s22：功率系数曲线cp(λ,β)具有最大值，其符合如下的情形：

式中，

定义并且随着公式(10)-(13)得到：

步骤s23：定义x(t)＝[eωgφdφqtem]^t，并且考虑在状态变量e上存在扰动ω(t)；选择和作为模糊前件变量；因此，具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型，表达为以下的奇异ii型模糊系统模型：

y(t)＝cx(t)(15)

式中，是中立ii型的模糊集，r模糊规则的数量，al和bl是对前件变量z1-z4线性化后系统矩阵参数，表达如下：

进一步地，步骤s3中，所述有限时间滑膜输出反馈控制器具有以下形式：

u(t)＝ub(t)+uc(t)(17)

式中，kl是模糊控制器增益，{l,p}代表模糊集，符号t是预先给定的有限时间周期，αmin(*)代表矩阵*的最小的秩，‖*‖代表矩阵*的范数；

sgn(*)是符号函数，具体的定义如下：

式中，s(t)是积分滑膜面函数，定义如下：

式中，g是一个给定的矩阵使得gbl是正定的矩阵。

进一步地，步骤s4中，所述闭环控制系统到达滑膜面时间t^*，由以下步骤求出：

步骤s41：考虑以下函数求导后得到：

定义如下方程：

得到：

随着公式，得到：

步骤s42：随着公式(20)-(23)得到：

根据公式(23)和(24),得到：

随着公式闭环控制系统到达滑膜面时间t^*获得如下：

t^*≤t(26)。

进一步地，步骤s5中，所述闭环控制系统在t^*时刻的最大发电功率参考角速度误差值，由以下步骤求出：

步骤s51：将控制器(17)代入(15)，获得如下的闭环控制系统：

式中，

步骤s52：考虑如下的李雅普诺夫函数：

其中e^tp＝p^te≥0；

沿着系统(27)的轨迹，得到：

式中，

引入一个辅助的函数j(t)，如下：

其中，η是正标量；

随着公式(29)和(30)，得到：

式中，

以下的不等式成立会使得公式(31)的j(t)<0：

φll<0,1≤l≤r(33)

φlp+φpl<0,1≤l<p≤r(34)

由于j(t)<0，得到：

在不等式(35)左乘右乘e^-ηt，并且0到t进行积分t∈[0,t^*]，那么很容易得到：

此外，由公式(28)得到：

式中，

步骤s53：将矩阵p分割如下：

式中，并且p3是一个标量，得到e^tp＝p^te≥0；

进一步分割状态变量空间x(t)如下：

式中，

随着公式(38)和(40)，有：

引入矩阵并且进一步定义：

基于公式(38)-(42)得到：

步骤s54：由于追踪误差的角速度定义如下：为了使得ε在有限的时间内收敛，将矩阵p1定义如下：

式中，p1(1)是一个标量，矩阵和p1(1)》‖p1(2)‖随着公式(42)-(44)得到：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的基于奇异ii型模糊模型的风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法不仅能保证风机发电偏航控制系统快速跟踪参考角速度，实现最大功率发电，而且能给出最大功率发电的参考角速度误差的定性与定量分析结果。

附图说明

图1为本发明实施例的方法实现流程图。

图2为本发明实施例中风机发电偏航控制系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于奇异ii型模糊模型的风机发电偏航控制系统最大功率追踪方法，包括以下步骤：

步骤s1：搭建如图2所示的风机发电偏航控制系统100，所述风机发电偏航控制系统包括风机发电机组10和最大功率追踪滑膜输出反馈控制器20；

步骤s2：根据物理学原理，建立具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型，并表达为奇异ii型模糊系统模型；

步骤s3：基于所述数学模型，设计有限时间滑膜输出反馈控制器；

步骤s4：求出闭环控制系统到达滑膜面的时间t^*；

步骤s5：求出闭环控制系统在t^*时刻的最大发电功率参考角速度误差值。

在本实施例中，步骤s2中，建立具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型并表达为奇异ii型模糊系统模型，包括如下步骤：

步骤s21：考虑风机转子动态模型如下：

式中，pa表示气动功率，参数ρ、r、cp、β和v分别表示空气密度、转子半径、功率系数、桨叶角和风速；叶尖速比λ定义如下：

式中，参数ωt表示转子速度；

转矩ta的动力学方程如下：

转子侧的惯性jr动态方程如下：

式中，br是转子的阻尼，低速转子转矩tls被定义为：

tls＝kls(θt-θls)+kls(ωt-ωls)(5)

式中，kls表示低速侧转轴的刚度，θt表示转子侧角偏差，θls表示变速箱侧角偏差，ωt表示转子侧角速度，ωls表示变速箱侧角速度，那么有：

式中，参数jg和tem分别是发电机的惯性和电磁转矩，ths表示高速侧的转子转矩，bg表示发电机外部阻尼，ωg表示发电机角速度；

进一步定义减速比ng，得到：

根据空间矢量的表达，定子电压在旋转d-q轴的参考框架下可以表达为：

式中，ud和uq是d轴和q轴的定子电压，φd和φq是d轴和q轴的定子电流，rs是定子绕组阻抗，m是级数，ωg是定子的电角速度，ψq和ψd是d轴和q轴的磁通，表达为：

式中，ld和lq是d轴和q轴的的电感，ψm是磁链；

随着公式(1)-(9)，得到：

式中，

步骤s22：功率系数曲线cp(λ,β)具有最大值，其符合如下的情形：

式中，

定义并且随着公式(10)-(13)得到：

步骤s23：定义x(t)＝[eωgφdφqtem]^t，并且考虑在状态变量e上存在扰动ω(t)；选择和作为模糊前件变量；因此，具有最大功率追踪的风机偏航非线性系统的数学模型，表达为以下的奇异ii型模糊系统模型：

y(t)＝cx(t)(15)

式中，：＝表示首次定义，是中立ii型的模糊集，r模糊规则的数量，al和bl是对前件变量z1-z4线性化后系统矩阵参数，表达如下：

在本实施例中，步骤s3中，所述有限时间滑膜输出反馈控制器具有以下形式：

u(t)＝ub(t)+uc(t)(17)

式中，kl是模糊控制器增益，{l,p}代表模糊集，符号t是预先给定的有限时间周期，αmin(*)代表矩阵*的最小的秩，‖*‖代表矩阵*的范数；

sgn(*)是符号函数，具体的定义如下：

式中，s(t)是积分滑膜面函数，定义如下：

式中，g是一个给定的矩阵使得gbl是正定的矩阵。

在本实施例中，步骤s4中，所述闭环控制系统到达滑膜面时间t^*，由以下步骤求出：

步骤s41：考虑以下函数求导后得到：

定义如下方程：

得到：

随着公式，得到：

步骤s42：随着公式(20)-(23)得到：

根据公式(23)和(24),得到：

随着公式闭环控制系统到达滑膜面时间t^*获得如下：

t^*≤t(26)。

在本实施例中，步骤s5中，所述闭环控制系统在t^*时刻的最大发电功率参考角速度误差值，由以下步骤求出：

步骤s51：将控制器(17)代入(15)，获得如下的闭环控制系统：

式中，

步骤s52：考虑如下的李雅普诺夫函数：

其中e^tp＝p^te≥0；

沿着系统(27)的轨迹，得到：

式中，

引入一个辅助的函数j(t)，如下：

其中，η是正标量；

随着公式(29)和(30)，得到：

式中，

以下的不等式成立会使得公式(31)的j(t)<0：

φll<0,1≤l≤r(33)

φlp+φpl<0,1≤l<p≤r(34)

由于j(t)<0，得到：

在不等式(35)左乘右乘e^-ηt，并且0到t进行积分t∈[0,t^*]，那么很容易得到：

此外，由公式(28)得到：

式中，

步骤s53：将矩阵p分割如下：

式中，并且p3是一个标量，得到e^tp＝p^te≥0；

进一步分割状态变量空间x(t)如下：

式中，

随着公式(38)和(40)，有：

引入矩阵并且进一步定义：

基于公式(38)-(42)得到：

步骤s54：由于追踪误差的角速度定义如下：为了使得ε在有限的时间内收敛，将矩阵p1定义如下：

式中，p1(1)是一个标量，矩阵和p1(1)＞＞‖p1(2)‖随着公式(42)-(44)得到：

本发明既能保证风机偏航发电控制系统快速跟踪参考角速度，实现最大功率发电，而且能给出最大功率发电的参考电压误差的定量分析结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。