专利名称：：一种定桨距风力机的内模控制方法
技术领域：
：本发明为一种定桨距风力机的内模控制方法，属于风力发电系统控制
技术领域：
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背景技术：
：由于能源紧缺，风能的开发与利用得到了全世界的关注。目前应用广泛的风力机主要有定桨距失速型风力机和变桨距风力机。定桨距失速型风力机因其结构简单、性能可靠，无需复杂的变桨距控制系统，在风力发电系统中得到了广泛应用。但由于转速固定不变，风力机只在某个风速点具有最大风能利用系数，因此风能利用率较低；并且其桨叶节距角固定不变，在高风速区只依靠桨叶自身的失速特性无法实现风力机的恒功率输出。输出功率特性曲线如附图l所示。变桨距变速型风力机釆用了变桨距技术，桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机的总体设计十分有利。在低风速区变桨距机构不起作用，通过控制发电机转速，实现风力机的最大功率跟踪；在高风速区变桨距机构开始作用，桨叶节距角随风速变化而不断改变，以调节风能利用系数，使风力机的输出功率稳定在其额定值。输出功率特性曲线如附图2所示。由于该型风力机釆用了复杂的变桨距控制系统，增加了制造和维护成本。若定桨距风力机能够达到变桨距风力机的风能利用效果，将大大减小风力发电机的成本。
发明内容本发明为一种定桨距风力机在整个设计风速范围内的功率控制方法，它通过重构模型的逆形成内模控制器对气动转矩扰动进行4Hf尝，保证风力机工作在额定风速以上时的稳定性，通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值，并通过转矩一转速曲线得到定桨距风力机的参考转速，通过控制风力机转速，达到对定桨距风力机功率控制的目的。所述控制方法包括如下环节1)通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值7W，并通过转矩一转速曲线得到定桨距风力机的参考转速Wi/,若风力机与发电机之间有齿轮箱，则发电机的转速期望值为w'=(yifkN,《N为齿轮箱变速比，若无齿轮箱，取/^=1;2)通过重构控制对象模型Gn(力获得估计的转速Wg;3)将风力机的实际转速Wf与2)所述的转速Wg作差，得到转速误差信号^y^4)将定桨距风力发电机的参考转速^与3)所述转速误差信号zk^作差得到转速误差信5)通过重构控制对象模型GnW的逆形成内模控制器GcOO,定桨距风力发电机输出转速的表达式为)=——~~*1-G風Ws为频域拉普拉斯算子，^Cy)为风力发电机的期望转速给定，7U》为气动转矩，D(s)为气动转矩干扰平移至输出端的传递函数D(s)=GPW,Gp(力为风力发电机的数学模型，G(力为控制对象真3实模型。当扰动导致发电机转速增加时，叶尖速比A-wi/v会增加，由附图(3)知当风力机运行于力矩不稳定区时，风力机的转矩系数增加，这将导致风力机的气动转矩增加，上式表明如果GeCs)为传统的线性控制器，会进一步加剧转速的增加，形成一个正反馈，最终导致风力发电机飞车，如果扰动导致转速减小，则会导致风力发电机停车。由上式知当选择GcW呵GnW]"时，抵消气动转矩扰动的影响，风力机的转速也可认为是发电机的转速由给定的转速期望值决定，w(力二，一，Gc,(-),G"l,、、必*(》,由扰动引起的转速变化得到补偿，l+GcO)(GCy)-GnO))抑制正反馈的形成，保证定桨距风力机在深失速区稳定运行。为了保证内模控制器Gc(》的可实现性，在其中加入低通滤波器G(力，内模控制器的最终实现形式为GcCh0(力[Gn(力]:6)将4)所述的转速误差信号z^2经过内模控制器GcW得到发电机电磁转矩参考信号V;将r/除以一个与风力发电机结构相关的常数得到电流调节器q轴电流的期望给定值，将电流调节器d轴电流的期望给定值设为0,并将电流调节器的输出进行SVPWM调制就得到了实际的发电机定子端PWM整流器的驱动信号；本发明能够对定桨距风力机在整个设计风速范围内的运行施加有效控制，解决了当风力机运行于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机，同时提高了定桨距风力机的风能利用效率，改善了其在额定风速以上输出功率特性差的缺点。与变桨距变速型风力机相比，该系统没有变桨距机构与变桨距控制器，具有结构简单、成本低廉、稳定可靠的突出优点。图1为定桨距失速型风力机输出功率特性曲线图2为变桨距变速型风力机输出功率特性曲线图3定桨距风力机的转矩系数曲线图4为最佳转矩一转速曲线图5为定桨距风力机内模控制框图图6为定桨距变速风力发电机系统组成框图图7为q轴电流控制框图具体实施方案定桨距风力发电机系统组成框图如附图(6)。风力机将风能转换为机械能，永磁同步电机在风力机的带动下旋转，将轴上吸收的风能转变为电能，通过控制发电机定子侧的PWM整流器达到调节发电机电磁转矩，进而控制风力机转速的目的。并网逆变器对发电机输出电能进行管理。控制系统所需的转速、电流信号分别由转速传感器、电流传感器得到。采用TMS320LF2407DSP控制器完成定桨距变速风力发电机的变速制系统的设计。具体的实施方案分为两个步骤l)设计电磁转矩控制器；2)设计内模控制器；1)电磁转矩控制器设计过程如下电磁转矩控制器也即电流控制器，釆用较成熟的矢量控制技术进行设计，首先用电流传感器检测出永磁同步电机定子三相电流,'a、/b、/"并将定子三相电流经过clarke变换，得到两相静止坐标系的电流!;和再经过park变换将两相静止坐标系下的电流/a和/p变换成两相旋转坐标系下的电流&和Zq。/d和/q即为电流环的反馈电流，对于永磁同步电机期望的电流给定为/qVTeV(1.5p^/),p为极对数，^为转子励磁磁链，Te'为发电机的电磁转矩给定，为了提高发电机的功率因数，减少转矩脉动，设d轴电流给定由fd*=0。附图(7)为q轴电流控制框图，d轴电流控制框图以及调节器参数与q轴一样。q轴电流环控制对象的传递函数为1/(￡计及)，其中丄为定子电感，及为定子绕组电阻。考虑到电流环需要较快的跟踪能力，采用PI调节器按典型1型系统来整定调节器的参数，PI调节器的传弟函数为Gi(力-kKw+l》，式中k,^/(37^pwM),T尸i:/i,尺pwm为pwm整流器的桥路等效增益，当釆用svpwm调制时a:pwm=i。2)由步骤l)可得到电磁转矩环的闭环传递函数为re/re^V/q^^^^QT^+l),转速控制器即内模控制器设计过程如下内模控制器的结构图如附图(5),通过转矩观测器来估计气动转矩的状态值7W,在DSP中依据最佳转矩一转速曲线通过查表的方式获得风力发电机期望转速w、Wi/,图(4)为最佳转矩一转速曲线，它的获取是通过现场实验测得，测量的依据为在低风速时实现最大风能跟踪，随着风速的增加，风力机的气动转矩、转速都相应增加，当转速达到风力机的额定转速后，随着风速的增加，风力机的转速保持不变，但风力机的输出功率继续增加，气动转矩增加，当风力机的输出功率达到其额定值后保持不变，此后气动转矩与转速的乘积为风力机恒定的输出功率。采用转速传感器测得永磁同步电机的输出转速Wf,电磁转矩的期望给定值r/经过重构的控制对象模型便可以得到永磁同步电机的输出转速估计值Wg，将永磁同步电机的输出转速^f与输出转速估计值"g作差得到信号A^，将风力机期望转速c/^,/与」化作差，得到内模控制器的输入信号A^。考虑电磁转矩内环的影响，重构的控制对象模型为GnW-^WGpCy),上式中Gp(^l/(力+5)为风力发电机的数学模型，<^)=(37^+1)为电磁转矩环的闭环传递函数，所以6^)=1/(力+5)(37>+1户1/(力(37>+1)),其中K为PWM整流器的开关周期，J为风力发电机转动惯量，5为摩擦系数，一般情况下B较小，可以忽略其影响，根据重抅的控制对象模型可以求出内模控制器的传递函数，GcO)-[Gn(力]-1即Gc0)-力(37^+l),考虑物理上的可实现性，在内模控制器中加入低通滤波器2(力，内模控制器的最终实现形式为Gc(力^W[GnCO]'1。转速控制器的输出为电磁转矩的期望给定值Te'。综合上述过程、结合附图(5)可得系统开环传递函数GKW==^g一，闭环传递函数,),表明系统的稳定性取决于2(力。实施例之一本实施例中所采用的定桨距风轮叶片Cp(;i)参数如表i所示，桨叶最大风能利用系数cpmax等于0.365;桨叶半径及为4m;最佳叶尖速比义丰为6.75;风轮的切入风速4.5m/s,切出风速25m/s，额定风速12m/s;空气密度/^于1.25kg/m3;风力机额定输出功率10kW。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例中所采用的发电机为隐极式永磁同步发电机，发电机额定功率10kW,极对数/7等于8,定子电感L为5mH,定子绕组电阻/等于0.1Q,转子励磁磁链^等于0.57Wb,5为摩擦系数，5=0.05,转动惯量J为lkgxm2。发电机与风力机之间无齿轮箱，为直驱式风力发电机，去掉齿轮箱有助于降低机组成本，延长机组使用寿命。PWM整流器的开关频率为/s=2kHz,开关周期为rs=l//s=500ns。在本实施例中取2Cy)-(2w+l)/Cw+l)2,T决定着系统的动态特性和鲁棒性，越小，系统响应越快但鲁棒性越差，容易引起振荡，反之，越大，系统鲁棒性越好，但响应越缓慢。因此，理想控制器应当根据系统的期望特性在线调整其参数，在本实施例中在线调整取1=0.005。将系统参数代入所设计的控制器附图(7)中《pwm=1,《PWM/(0.57>K)=l/(0.00025:s+l)，1/(7>+1)=1/(0.0005;+1),1/(丄,=1/(0.005;+0.1)由步骤l)知PI调节器GiCy"k《T!;y+l)/1s=66.7(0.051y+1)A附图(5)中GpCs^l/(A+5)^/C+0,05),^Cy)-(37^+l)-l/(0.0015j+l)气动转矩干扰平移至输出端的传递函数DW=GP0y)=l/O+0.O5)由步骤2)知重构的控制对象模型为GnCs)-l/C/s(37Vy+l))^l/(s(0.0015s+l))=l/(0.0015s2+s)低通滤波器20)-(2w+1)/Cw+1)2K0.01s+1)/(0.005s+1)2内模控制器为Gc(4^A(37^+l)(2w+l)/Cw+l)2^(0.0015s+l)(0.01y+l)/(0.005s+l)2系统的闭环传递函数为0KCy)=g("=(2w+l)/(+1)2,当f0.005时系统稳定。权利要求1、一种定桨距风力机的内模控制方法，其特征在于通过重构模型的逆形成内模控制器对气动转矩扰动进行补偿，保证风力机工作在深失速区时的稳定性，改善风力机在低风速区的动态特性，通过控制发电机的电磁转矩进而调节风力机转速，达到对定桨风力机功率控制的目的，所述控制方法包括如下环节1)通过转矩观测器获得气动转矩的状态估计值(Tm1)，并通过转矩-转速曲线得到定桨距风力机的参考转速(ωif*)，若风力机与发电机之间有齿轮箱，则发电机的转速期望值为ω*＝ωif*KN，KN为齿轮箱变速比，若无齿轮箱，取KN＝1；2)通过重构控制对象模型(Gn(s))获得估计的转速(ωg)；3)将风力发电机的实际转速(ωf)与2)所述的转速(ωg)作差，得到转速误差信号(Δω1)；4)将定桨距风力发电机的参考转速(ω*)与3)所述转速误差信号(Δω1)作差得到转速误差信号(Δω2)；5)通过重构控制对象模型(Gn(s))的逆形成内模控制器(Gc(s))，定桨距风力发电机输出转速的表达式为<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><msup><mi>ω</mi><mo>*</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>G</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>T</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009101812980002C1.tif"wi="125"he="10"top="105"left="56"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>s为频域拉普拉斯算子，ω*(s)为风力发电机的期望转速给定，Tm(s)为气动转矩，D(s)为气动转矩干扰平移至输出端的传递函数D(s)＝Gp(s)，Gp(s)为风力发电机的数学模型，G(s)为控制对象真实模型，当选择Gc(s)＝[Gn(s)]-1，抵消气动转矩扰动的影响，保证定桨距风力机在深失速区稳定运行，为了保证内模控制器Gc(s)的可实现性，在其中加入低通滤波器Q(s)，内模控制器的最终实现形式为Gc(s)＝Q(s)[Gn(s)]-1；6)将4)所述的转速误差信号(Δω2)经过内模控制器(Gc(s))得到发电机电磁转矩参考信号(Te*)，将(Te*)除以一个与发电机结构相关的常数得到电流调节器q轴电流的期望给定值，将电流调节器d轴电流的期望给定值设为0，并将电流调节器的输出进行SVPWM调制就得到了实际的发电机定子端PWM整流器的驱动信号。全文摘要本发明公开了一种定桨距风力机的内模控制方法，属于风力发电系统控制技术。本发明通过重构模型的逆形成内模控制器，对气动转矩扰动进行补偿，从而保证风力机工作在额定风速以上时即工作在深失速区时的稳定性。在整个设计风速范围内对定桨距风力机进行变速控制，通过控制发电机的电磁转矩进而调节风力机转速，达到定桨风力机功率控制的目的；本发明提高了风能利用效率，改善了定桨距风力机在额定风速以上输出功率特性差的缺点，解决了风力机运行于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机。文档编号F03D7/00GK101603503SQ200910181298公开日2009年12月16日申请日期2009年7月21日优先权日2009年7月21日发明者王俊琦,胡祖荣,岩邢,马运东申请人:南京航空航天大学