风电机组液压变桨距系统的控制方法

专利名称：风电机组液压变桨距系统的控制方法
技术领域：
本发明是一种通过改进最小方差控制策略，对风电机组液压变桨距系统进行 调节，使桨叶节距角快速、稳定、无偏差的跟踪设定值的一种方法。
背景技术：
风电机组变桨距系统通过桨距调节器，完成叶片节距角的调节，在额定风速 以下，保证最大风能捕获效率，在高风速时，限制功率输出。液压变桨距节距调 节器通过比例阀来实现的。控制器根据位置传感器信号给出一个一10 + 10V的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的 方向和大小。电流信号的大小，正比例决定比例阀阀位开度，调节油路流量。电 流信号的正负，决定了油路的方向。油液到达液压缸，按比例阀输出的方向和流 量推动活塞杆前进或者后退，控制桨叶节距角在一定范围内运动。由于风速的随机性和不确定性，塔影、风切变、偏航回转等引起的负载扰动， 变桨距开关桨的往复动作，液压驱动大质量叶轮负载的惯性环节，使得变桨距控 制系统有参数非线性、参数时变性、滞后性等技术特点。最小方差控制方法对于大滞后系统的控制是十分有益的，同时对于参数非线 性和时变系统，也有一定的实用价值。传统最小方差控制方法要求对象必须是最 小相位系统，对靠近单位圆的稳定零点非常灵敏。对非最小相位系统，由于含有 不稳定零点，导致控制输入的非有界而无法设计控制系统。同时，控制作用可能 过大，不准确的初始条件、延迟时间的不确定等都可能显著影响最优预测，而使 控制过程发散。发明内容技术问题本发明的目的是提供一种风电机组液压变桨距系统的控制方法， 用于风电机组液压变桨距系统，即解决变桨距控制系统参数非线性、时变性、滞 后性等问题。技术方案为了克服上述问题，通过采用改进的最小方差控制方法，弥补传 统方法的不足，用于液压变桨距控制系统，使得系统响应速度快，动态跟踪性能 好，无调节误差，同时，无需在线辨识对象模型，充分利用控制方法的鲁棒性。本发明的风电机组液压变桨距系统的控制方法采用最小方差控制，实现步骤 如下步骤l:根据液压变桨距系统被控对象的纯延迟时间，延长预测步长，选择纯 延迟时间之后的某一时刻作为预测步长i，使得丄大于对象纯延迟时 间；步骤2:由预测步长丄和被控对象离散模型的参数多项式j(《-"-i+J;《('和丑( 一')-艺6,f, 及关系式 1 = ￡(9—"j(《—iG(《—1) 和F。-')-五(^)风r1)，得到多项式￡(9-') = 1 + 2>^， G(^)-艺g,('，^(,')= S 乂《—'，存入控制器模块中，用于获得控制系统的控制量，其中A-l-《-、《—为后移算子，"。，"6分别为对象离散模型参数多 项式j(《—1)， 5(《-"的阶 夂，。,(i = l...wa )， A( ! = (). . )，e,.(/ = l."i — l)， g,. (/ = 0..."。)， / (/ = 0-.."6+￡-1)分别为对应多项式的系数； 步骤3:控制系统在线实时记录到当前采样时刻&为止控制器所有的控制信 号{"(fc-1)，"(fc-2),…)和变桨距系统输出的桨距角观测数据 p(A0，e(A-1),."}，同时记录控制量的增量(A"(A-l),A"(" 2)，"'}，并 接收风电机组主控制器给出的期望桨距角信号6{ 的，利用控制模块中 存储的多项式G(《力和F。-^，按以下关系式得到控制系统的控制量当前时刻控制输出较前一时刻控制输出的控制增量，《为任意正常 数；步骤4:控制系统的控制量"(0，输出后转化为一个一10 + 10V范围内的控制电压信号，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，该电流 信号按正负极性控制比例阀接通不同的回路，并由电流大小正比例确 定阀门阀位开度大小，控制压力油的流量，使压力油由接通回路流入液压缸的前端或后端，从而推动液压缸活塞向后或向前运动，操纵桨 距角在确定范围内变化，跟踪期望的桨距角信号。 预测步长i可在纯延迟时间之后到稳态时刻之间的任意时刻进行预测。 控制增量A"(/t)计算中，采用时变限幅策略，S卩，在控制初期取较大cr/。值，限制控制幅度，在控制后期逐渐减小《/。值，加快收敛的时变"/。的设计方法。选择纯延迟时间之后的某一时刻作为预测步长丄时，还可以在纯延迟时间之 后到稳态时刻之间选择预测步长^和A,使得^:^A，其中^靠近对象纯延迟时间后的响应阶段，Z2靠近对象稳态阶段，对这两个预测步长得到的控制量",(/t)和"2("进行加权折衷w(W = (l-+yffM2W， /ff为输入柔化系数，且0^〃S1，得到的再作为控制系统的控制量输出。有益效果通过延长预测步长、采用时变限幅策略和柔化控制作用等方法对 传统最小方差控制进行改进，用于风电机组液压变桨距控制系统，使得系统响应 迅速，无动态偏差。同时，对于对象模型的时变性，充分利用该方法的鲁棒性， 无需在线辨识对象模型，仍能获得良好的控制效果。


图1是风电机组液压变桨距控制系统的示意图。
具体实施方式
本发明的风电机组液压变桨距系统的控制方法采用最小方差控制，控制器在 线实时记录到当前采样时刻^为止被控对象所有的输入控制信号 1),"("2),…)和输出的桨距角观测数据^(",^-1)，…)，并根据期望的桨距角信号，按照如下关系式得到控制系统的控制量"(/t):"/o '=0 '=1控制器输出控制量"(it)转化为一个一10 + 10V范围内的控制电压信号，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，该电流信号按正负极性控制比例阈接 通不同的回路，并由电流大小正比例确定阀门阀位开度大小，控制压力油的流量， 使压力油由接通回路流入液压缸的前端或后端，从而推动液压缸活塞向后或向前运动，操纵桨距角在一定范围内变化，跟踪期望的桨距角信号。预测步长丄可在纯延迟时间之后到稳态时刻之间的任意时刻进行预测。 控制增量A"(/t)计算中，采用时变限幅策略，即，在控制初期取较大《/。值，限制控制幅度，在控制后期逐渐减小a/。值，加快收敛的时变a/。的设计方法。选择纯延迟时间之后的某一时刻作为预测步长￡时，还可以在纯延迟时间之 后到稳态时刻之间选择预测步长A和Z2，使得Z2〉A，其中^靠近对象纯延迟时 间后的响应阶段，^靠近对象稳态阶段，对这两个预测步长得到的控制量",(/t)和 "2(/t)进行加权折衷w(W = (l-釣"K/t) + P"2(/t)， / 为输入柔化系数，且0S"SI，得 到的"(/t)再作为控制系统的控制量输出。本发明是一种针对风电机组液压变桨距系统参数非线性、时变性、滞后性特 点，采用一种改进的最小方差控制方法，使得控制系统响应迅速，无动态偏差， 无需在线辨识对象模型。改进的最小方差控制方法具体实现过程如下1、 离线辨识被控对象模型，选择釆样时间，将对象模型离散化，采用受控自回归积分滑动平均模型^Votx^(r')"w+ffi描述被控对象，&为采样时厶刻，0(/fc)为fc时刻桨距角信号，w(W为&时刻控制器输出控制信号、《W为液压 系统在fc时刻受到的扰动信号，d为被控对象的纯延迟。由传统最小方差控制控制律可知，当前的输入控制作用要在^的下一采样时 刻产生作用，对有^步延迟的对象做未来rf步的最优预测存在较大误差，可能会使 控制作用幅度过大。针对这种情况，根据对象纯延迟么适当延长预测步长，取^步和i2步作为预测步长，其中A步靠近对象纯延迟^后的响应阶段，^步靠近对 象稳态阶段。2、 由预测步长和被控对象离散模型的参数多项式，求解丢番图方程 1 = ￡。-'M(《-+《—^(9—^及关系式F(r1) = b5(《—1)，从而得到A步和Zj步对应 的多项式/^(^)、 "和i^(《-1)、 G^(r1)。3、 在线实时记录到当前采样时刻;fc为止控制器所有的控制信号 - - 2),'"}和变桨距系统输出的桨距角观测数据{6(*)，^(*-，同时记录控制量的增量(A"(" 2),…)，并接收风电机组主控制器给出的期望桨距角信号&(fc)，利用第二步中得到的^(9—')、 ')和&(一)、 G^(9-')，由如下关系式:A<formula>formula see original document page 8</formula>分别得到A步和i2步对应的控制量""/t)和A0t)。在控制收敛过程中，《/。的大小直接影响控制动作的大小，进而影响收敛速度 的快慢。通常情况下，最大控制幅度往往出现在突变过程的初期，因此采用时变a/。 的设计方法，在控制初期限制控制幅度，在控制后期加快收敛。为限制控制作用大幅变化，同时加快收敛速度，将控制作用在",(/t)和^Ot)之 间进行折衷m(W = (1-+/ m2(A:)， y3为输入柔化系数,且O^P5:i。 "(A:)即作为 控制器的输出。4、控制系统的控制量"(it)，输出后转化为一个一10 + 10V范围内的控制电 压信号，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，该电流信号按正负极性 控制比例阀接通不同的回路，并由电流大小正比例确定阀门阀位开度大小，控制 压力油的流量，使压力油由接通回路流入液压缸的前端或后端，从而推动液压缸 活塞向后或向前运动，操纵桨距角在确定范围内变化，跟踪期望的桨距角信号。
权利要求
1、一种风电机组液压变桨距系统的控制方法，其特征在于该系统控制方法采用最小方差控制，实现步骤如下步骤1根据液压变桨距系统被控对象的纯延迟时间，延长预测步长，选择纯延迟时间之后的某一时刻作为预测步长L，使得L大于对象纯延迟时间；步骤2由预测步长L和被控对象离散模型的参数多项式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>A</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>q</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>n</mi><mi>a</mi> </msub></munderover><msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi></msub><msup> <mi>q</mi> <mrow><mo>-</mo><mi>i</mi> </mrow></msup> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100197866C00011.gif" wi="29" he="9" top= "79" left = "146" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->和
2、根据权利要求1所述的风电机组液压变桨距系统的控制方法，其特征在于 预测步长Z可在纯延迟时间之后到稳态时刻之间的任意时刻进行预测。
3、 根据权利要求1所述的风电机组液压变桨距系统的控制方法，其特征在于 控制增量A"(W计算中，采用时变限幅策略，即，在控制初期取较大"/。值，限制 控制幅度，在控制后期逐渐减小《/。值，加快收敛的时变a/。的设计方法。
4、 根据权利要求2所述的风电机组液压变桨距系统的控制方法，其特征在于 选择纯延迟时间之后的某一时刻作为预测步长i时，还可以在纯延迟时间之后到 稳态时刻之间选择预测步长A和i2，使得i2〉4，其中^靠近对象纯延迟时间后的响应阶段，^靠近对象稳态阶段，对这两个预测步长得到的控制量K,(W和"2(W 进行加权折衷"W = (l-+A2W， 〃为输入柔化系数，且0^/^1，得到的 再作为控制系统的控制量输出。
全文摘要
风电机组液压变桨距系统的控制方法针对传统最小方差控制方法的不足，提出一种延长预测步长，并与时变限幅策略和柔化控制作用相结合的改进最小方差控制方法，解决了传统最小方差控制方法对非最小相位系统和具有靠近单位圆的稳定零点的系统控制输入非有界，控制作用过大等问题。该系统控制方法采用最小方差控制，控制器在线实时记录到当前采样时刻k为止被控对象所有的输入控制信号{u(k-1)，u(k-2)，…}和输出的桨距角观测数据{θ(k)，θ(k-1)，…}，并根据期望的桨距角信号θ_m(k)，得到控制系统的控制量u(k)。
文档编号F03D7/00GK101240775SQ20081001978
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者吕剑虹, 科 吴, 亮 赵 申请人:东南大学