技术特征：
1.一种基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：建立液压型风电机组的状态空间模型并确定追踪目标；根据风轮数学模型、定量泵的状态方程、比例流量阀数学模型、变量马达的状态方程和系统压力状态方程确定液压型风电机组的状态空间模型如下所示：式中：表示定量泵转速一阶导数；b
p
表示定量泵的阻尼系数；j
p
表示定量泵的转动惯量；ω
p
表示定量泵转速实际值；d
p
表示定量泵的排量；p
h
表示高压管路的压力；t
r
表示风轮输入给定量泵的力矩；v表示有效平均风速；表示高压管路的压力一次导数；β表示油液体积弹性模量；v表示高压管路的容积也即压力影响效应的油液体积；c
t
表示泄漏系数；k
m
表示变量马达排量梯度；ω
m
表示变量马达的转速；γ表示变量马达摆角；以定量泵转速为状态空间模型的追踪目标，追踪误差如下所示：e＝ω
opt-ω
p
；式中：e表示追踪误差；ω
opt
表示定量泵转速理想值；步骤2：引入性能评估函数用来定义追踪误差量化指标；步骤3：根据预设性能控制原理，引入误差转化信号，并建立追踪误差和误差转化信号之间的关系；追踪误差与性能评估函数之间的关系：式中：e(t)表示追踪误差函数；表示性能评估函数；t表示时间；m(s)表示关于s的误差转化函数，表示定义域为(-1,1)的光滑、严格递增且可逆的函数；s表示误差转化信号；误差转化函数m(s)的获取方法如下所示：由追踪误差与性能评估函数之间的关系得到的误差转化信号函数如下所示：式中：s(t)表示误差转化信号函数；步骤4：根据误差转化信号，设计液压型风电机组最大功率追踪控制方法；对步骤3中的误差转化信号函数s(t)求导，再结合步骤1中的液压型风电机组液压传动系统在并网之前的状态空间模型，确定液压型风电机组最大功率追踪控制方法如下所示：
式中：表示定量泵转速理想值一阶导数；a表示控制方法第一简化项，b表示控制方法第二简化项，c表示控制方法第三简化项，τ表示误差转化信号函数第一替换项；k表示控制性能修正系数，用于控制变量马达摆角γ的快速性与超调量；μ表示误差转化信号函数第二替换项；步骤5：替换微分项，获取最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法，控制风电机组；使用鲁棒因子和双曲正切函数，替换步骤4中的微分项获取最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法，如下所示：式中：b表示的上极限；tanh(sμ)表示双曲正切函数；验证所设计的控制方法的稳定性，从而实现对风电机组的控制。2.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤1中的根据风轮数学模型、定量泵的状态方程、比例流量阀数学模型、变量马达的状态方程和系统压力状态方程确定液压型风电机组的状态空间模型，具体为：所述风轮数学模型如下所示：式中：p
r
表示风轮功率；ρ表示空气密度；r表示风轮半径；ω
r
表示风轮转速；β
r
表示桨距角；c
p
(λ,β
r
)表示风能利用系数，其取值参考具体用户使用的液压型风电机组的风轮参数；λ表示叶尖速比系数；叶尖速比系数λ的获取方法如下所示：风能利用系数c
p
(λ,β
r
)的获取方法如下所示：式中：c1表示第一风能利用系数，取值为0.5176；c2表示第二风能利用系数，取值为116；c3表示第三风能利用系数，取值为0.4；c4表示第四风能利用系数，取值为5；c5表示第五风能利用系数，取值为21；c6表示第六风能利用系数，取值为0.003；λ
a
表示叶尖速比系数与桨距角联合作用参量；所述定量泵的状态方程由定量泵转矩方程和定量泵的力矩平衡方程确定，获取方法如
下所示：式中：p
h1
表示定量泵进出口的压力差；η
mech,p
表示定量泵的机械效率，取值为90％；定量泵转矩方程如下所示：式中：t
p
表示定量泵的转矩；定量泵的力矩平衡方程如下所示：定量泵的流量连续性方程如下所示：q
p
＝d
p
ω
p-c
t1
p
h1
；式中：q
p
表示定量泵的流量；c
t1
表示定量泵的泄漏系数；所述比例流量阀数学模型如下所示：q
bl
＝k
e
u
e
；式中：q
bl
表示通过比例流量阀的流量；k
e
表示比例流量阀比例系数；u
e
表示电压信号；所述变量马达的状态方程由变量马达扭矩方程和变量马达力矩平衡方程确定，获取方法如下所示：式中：表示变量马达的转速；k
m
表示变量马达排量梯度；p
h2
表示变量马达进出口的压力差；η
mech,m
表示变量马达的机械效率，取值为90％；j
m
表示变量马达的转动惯量；b
m
表示变量马达的阻尼系数；t
l
表示变量马达负载力矩；变量马达扭矩方程如下所示：t
m
＝d
m
p
h2
η
mech,m
＝k
m
γp
h2
η
mech,m
；式中：t
m
表示变量马达产生的总转矩；d
m
表示变量马达的排量；变量马达力矩平衡方程如下所示：变量马达流量连续性方程如下所示：q
m
＝d
m
ω
m-c
t2
p
h2
；式中：q
m
表示变量马达的流量；c
t2
表示变量马达的泄漏系数；所述系统压力状态方程由液压软管数学模型确定，获取方法如下所示：式中：β表示油液体积弹性模量；q
c
表示油液压缩性导致的流量；液压软管数学模型如下所示：
由于风轮与定量泵直接相连，风轮转速与定量泵转速相同，即ω
r
＝ω
p
，并将风轮转动惯量折合到定量泵转动惯量上，在额定风速以下对系统进行了控制，桨距角β
r
为0；建模过程中定量泵、变量马达的机械效率为定值η
mech,p
＝η
mech,m
＝0.9；低压管路压力为0，定量泵和变量马达的进出口压差和高压管路压力相等；液压型风力发电机组并网之前需要比例流量阀参与风力发电机的并网转速控制，比例流量阀位于定量泵与变量马达之间，将定量泵与变量马达之间的高压管路分为两部分，定量泵到比例流量阀之间的容腔体积为v1，比例流量阀到变量马达之间的容腔体积为v2；定量泵到比例流量阀之间的容腔体积v1容腔内，油液压缩产生的流量如下所示：q
c1
＝q
p-q
bl
＝d
p
ω
p-c
t1
p
h1-ku
e
；式中：q
c1
表示v1容腔内油液压缩产生的流量；k是比例系数；比例流量阀到变量马达之间的容腔体积v2容腔内，油液压缩产生的流量如下所示：q
c2
＝q
bl-q
m
＝ku
e-d
m
ω
m-c
t2
p
h2
；式中：q
c2
表示v2容腔内油液压缩产生的流量；液压型风力发电机组并网之前状态空间模型能够表示为：液压型风力发电机组并网后，比例流量阀不再参与系统控制，此时定量泵出口流量不经过比例流量阀直接到达马达入口；系统由两个高压容腔变为一个，并网后高压管路容积和压力如下所示：式中：v1表示定量泵到比例流量阀之间的容腔体积；v2表示比例流量阀到变量马达之间的容腔体积为；油液压缩产生的流量如下所示：并网后系统压力状态变为1个，又因为风力发电机并网后同步发电机工作于工频转速处，而变量马达与励磁同步发电机同轴相连，因此变量马达转速为定值ω
m
＝1500r/min，此时变量马达转速不再作为系统状态量，所以，风力发电机组并网后，系统的状态空间方程从4个变为2个，系统阶次变为2，能够确定液压型风电机组的状态空间模型。3.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其
特征在于，所述步骤2中的引入性能评估函数用来定义追踪误差量化指标，具体为：引入性能评估函数的获取方法如下所示：式中：表示限定追踪误差的超调量；表示到达稳态时的误差域，满足l表示时间常数，满足l＞1；根据性能评估函数确定的追踪误差量化指标为：4.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤4中对步骤3中的误差转化信号函数s(t)求导，再结合步骤1中的液压型风电机组液压传动系统在并网之前的状态空间模型，确定液压型风电机组最大功率追踪控制方法，具体为：对误差转化信号函数s(t)求导如下所示：式中：表示误差转化信号一阶导数；表示追踪误差一阶导数；表示性能评估函数一阶导数；误差转化信号函数第一替换项μ的获取方法如下所示：误差转化信号函数第二替换项τ的获取方法如下所示：由于μ和τ能够通过计算得到，且当μ＞0，s有界时，μ和τ也是有界的；再结合液压型风电机组液压传动系统在并网之前的状态空间模型，则误差转化信号函数s(t)的导数式能够改写为：能够确定液压型风电机组最大功率追踪控制方法。5.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤5使用鲁棒因子、双曲正切函数，替换步骤4中的微分项，获取最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法，具体为：将用鲁棒因子-sgn(sμ)b代替，b是的上界，液压型风电机组最大功率追踪控制方法能够表示为：式中：sgn(sμ)表示鲁棒因子；μ误差转化信号函数；
再用连续双曲正切函数tanh(sμ/ε)代替sgn(sμ)，tanh(sμ/ε)和sgn(sμ)之间的关系如下式所示：0≤|sμ|-sμtanh(sμ)≤qε；式中：ε表示不等式上界参数；q表示不等式上界参数的比例系数，满足q＝exp(-q-1)的常数，即q＝0.2758；tanh(sμ)表示双曲正切函数，从而获得最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法。6.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤5中根据lyapunov第二方法验证所设计的控制方法的稳定性，具体为：定义lyapunov函数如下所示：式中：v
s
表示lyapunov函数；对lyapunov函数求导获得下式：式中：表示lyapunov函数一阶导数；将步骤5确定的最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法带入进行验证，如下所示：根据lyapunov理论，当s初始值有界，s最终会进入并维持在s的限定域ω
s
中，如下式所示：式中：ω
s
表示s的限定域；即s一致最终有界，误差转化信号s有界，能够保证跟踪误差满足步骤2的性质。7.一种用于实现根据权利要求1至6之一所述的基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法的控制系统，其特征在于，基于预设性能控制原理进行液压型风电机组最大功率追踪控制，所述系统包括：风轮部分、液压传动系统和发电机部分；所述风轮部分包括风轮、风速传感器、转速传感器、转矩传感器和第一传动轴；风轮部分的风速传感器安装在风轮附近，转速传感器与转矩传感器安装在第一传动轴上，风轮通过第一传动轴与液压传动系统的定量泵同轴刚性连接；所述液压传动系统包括定量泵、第一单向阀、第二单向阀、溢流阀、补油泵、油箱、安全阀、变量马达、控制器、高压管路、低压管路和比例流量阀；液压传动系统的定量泵与风轮同轴刚性连接，定量泵的吸油口从低压管路吸油，定量泵的压油口通过高压管路输出高压油；补油泵的吸油口与油箱相连，补油泵压油口分别连接第一单向阀和第二单向阀的第一端；第一单向阀的第二端连接到高压管路，第二单向阀的第二端连接到低压管路；溢流阀跨接
在补油泵压油口和油箱之间；安全阀跨接在高压管路和低压管路之间；比例流量阀连接在定量泵的出油口与变量马达的吸油口之间，用于调控变量马达转速，进行并网转速控制，在本发明中，比例流量阀的阀口全开，不参与控制；变量马达的吸油口与高压管路相连，变量马达的排油口与低压管路相连，变量马达的变排量控制信号由控制器给出，控制器与风轮部分的风速传感器、转速传感器和转矩传感器相连；变量马达通过第二传动轴与发电机部分的励磁同步发电机同轴相连；所述发电机部分包括第二传动轴、励磁同步发电机和电网；发电机部分的励磁同步发电机通过第二传动轴与液压传动系统的变量马达同轴刚性连接。
技术总结
本发明涉及一种基于预设性能控制的液压型风电机组功率追踪控制方法，其包括以下步骤，步骤一：建立液压型风电机组的状态空间模型并确定追踪目标；步骤二：引入性能评估函数用来定义追踪误差量化指标；步骤三：根据预设性能控制原理，引入误差转化信号，并建立追踪误差和误差转化信号之间的关系；步骤四：根据误差转化信号，设计液压型风电机组最大功率追踪控制方法；步骤五：替换微分项，获取最终的液压型风电机组最大功率追踪控制方法，控制风电机组。本发明提出的控制方法基于预设性能控制原理，避免小信号线性化方法造成的误差，提高控制精度；使用双曲正切函数替换微分项，避免控制器被高频噪声干扰，提高系统的测量精度。提高系统的测量精度。提高系统的测量精度。
技术研发人员：陈文婷 张珈瑞 艾超 杜泽莉 杨玥 曹忠鹏 孔祥东
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/9/30