基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控 制方法。
【背景技术】
[0002] 变桨距控制有统一变桨距和独立变桨距两种形式。统一变桨距系统通过执行机构 对风力机的三个桨叶实行同步调节控制。随着风电机组装机容量、塔架高度及风轮半径的 增大，其缺点也暴露出来。首先统一变桨距调节的前提条件是风轮扫平面内的风速是相同 的，当然这在实际中是不可能的，当兆瓦级的发电机组运行在额定风速时，风轮扫平面的最 高端与最低端风速的不同使得吸收功率相差20%，这使得统一变桨距没有优势。其次由于 各个桨叶上承受的风速不同，使得桨叶在旋转过程中，桨叶所承受的载荷也不相同，而统一 变桨距显然不能对上述问题进行很好的调节。独立变桨距控制技术是在统一变桨距控制的 基础上发展起来的，且它的每个桨叶都有一套独立的变距伺服驱动系统。显然，独立变桨距 控制能够解决上述缺点所引起的问题。
[0003]目前有两类独立变桨距控制策略。一种控制策略主要集中在如何进一步减小系统 载荷包括风电系统旋转部分和非旋转部分的载荷；另一类控制策略是侧重智能控制理论在 风电控制系统中的应用。
[0004] 文献[1]，利用Coleman坐标变换实现了将桨叶上的载荷转换成轮毂处倾斜方向 和偏航方向的疲劳载荷，并且实现了二者的解耦，简化了控制器的设计；之后利用Coleman 逆变换实现了桨距角的微调。该控制系统根据随机风速的变化，利用独立变桨控制对风力 机桨叶桨距角进行实时调节，以达到减小风电机组关键部件栽荷的目的，但是由于PI控制 器主要是减小占主导地位低频成分的载荷，故对于高频的载荷的减小不明显，所以偏航力 矩和倾斜力矩不为零。
[0005] 文献[2]，将独立变桨控制过程解耦为协同变桨控制过程和偏差变桨控制过程，并 分别进行协同变桨控制和偏差变桨控制的理论研究；偏差变桨控制系统是一个多输入多输 出线性系统，通过Park坐标变换和逆变换技术，将偏差变桨控制系统解耦为两个单输入单 输出线性系统，实现采用经典控制理论设计相关控制器，极大提高独立变桨控制技术的工 程实用性。
[0006] 文献[3]，提出了基于三维模糊自适应PID控制的独立变桨距控制技术，并且引入 风速的模糊前馈控制技术，将风机输出功率稳定在额定功率附近。但是对于极端风况给风 机造成的过载荷的问题缺乏研究，且模糊控制的方法依赖于知识规则，系统的自适应能力 不尚，易造成精度下降。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控 制方法，提高自适应能力和控制精度。
[0008] 为解决以上技术问题，本发明公开了一种基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制 方法，包括：
[0009] 将风机的反馈功率和额定功率通过PI控制器控制输出风机的统一桨距角；
[0010] 根据实测桨叶的方位角计算得到桨叶方位角权系数；
[0011] 根据所述桨叶方位角权系数对每个桨叶重新分配期望桨距角；
[0012] 针对每个桨叶的期望桨距角设计鲁棒自适应独立变桨控制器，对风电机组进行独 立变桨控制。
[0013] 进一步的，所述根据实测桨叶的方位角计算得到桨叶方位角权系数，具体包括：
[0014] 根据实测桨叶的方位角计算得到桨叶方位角权系数!^，其中，
[0015]
[0016] 式中
丨，R为风轮半径，H。为轮毂中心距地面的高度，Θ为 第一个桨叶的实测方位角，Θ+120°为第二个桨叶的方位角，Θ+240°为第二个桨叶的方 位角。
[0017] 进一步的，所述根据所述桨叶方位角权系数对每个桨叶重新分配期望桨距角，具 体包括：
[0018] 根据所述桨叶方位角权系数&对每个桨叶重新分配期望桨距角，分配后的第i个 桨叶的期望桨距角为/?= /(X/>% / =1,2,3。
[0019] 进一步的，针对每个桨叶的期望桨距角设计鲁棒自适应独立变桨控制器，具体包 括：
[0020] 建立三桨叶水平轴风力机桨叶系统动力学模型为
[0021]
[0022]式中，[β_β_2,UeR3, 为第i个桨叶的实测 桨距角，i= 1，2,3,J(i3_) =diagm]eR3X3, 为第i个桨叶绕其 轴的转动惯量，
5，Di是与第i个桨叶 的阻尼系数、桨叶轴承的摩擦系数及桨叶绕其轴的转动惯量相关的不确定项，
:，Qi是与第i个桨叶的阻尼系数变化量、桨叶轴承 的摩擦系数变化量相关的不确定项，，
.Ttwl为第i个 桨叶所受扭转力矩和空气动力产生的扰动力矩的总和，Tdr=[Tdrl，Tdr2,Tdr3]eR3X3,Tdri为 第i个桨叶变桨调节驱动力矩，CT=diag[CT1,CT2,CT3]eR3X3为正定常对角矩阵矩，u=
[Ui,u2,U3]TGR3为控制量Ui=Idri，Idri为调节第i个桨叶桨距角到需要的角度时所需要 驱动电机电流；
[0023] 根据所述系统动力学模型设计鲁棒自适应独立变桨控制器为：
[0024]
[0025]式中，seR3为复合误差向量，且=?+作.，e=βmea_β*，声==[H.爲f￡.及， ?=久-為%:γ为控制参数
邊是a的估计值
Η古参数，d。为常数，且S4 < 00
[0026] 选取Lyapunov函数为
.中，β为估计误差，5= 3;
[0027]根据Lyapunov函数的导数1：〇原贝1J，待估参数的自适应更新率i取为 a= ||5||ψ;
[0028] 根据控制器的平稳和有界性，将鲁棒自适应独立变桨控制器修改为
[0029]
，式中，ε为正数。
[0030] 实施本发明，具有如下有益效果：本发明提高了自适应能力和控制精度。
【附图说明】
[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1是本发明提供的基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制方法的一个实施例 的流程示意图；
[0033] 图2是基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制方法的原理图；
[0034] 图3是叶素微元受力分析图。
【具体实施方式】
[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]图1是本发明提供的基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制方法的一个实施例 的流程示意图，图2是基于鲁棒控制的风电机组独立变桨控制方法的原理图，如图1所示， 包括：
[0037]S101、将风机的反馈功率Pmea和额定功率Pref通过PI控制器控制输出风机的统 一桨距角。
[0038]S102、根据实测桨叶的方位角计算得到桨叶方位角权系数。
[0039] 具体的，步骤S102包括步骤：根据实测桨叶的方位角计算得到桨叶方位角权系数 I，其中，
[0040]
[0041] 式^R为风轮半径，H。为轮毂中心距地面的高度，Θ为 第一个桨叶的实测方位角，
Θ+120°为第二个桨叶的方位角，Θ+240°为第二个桨叶的方 位角。
[0042] 方位角权系数&的具体计算是采用叶素理论。叶素理论是通过将叶片分为若干 个微小单位，对这些微小单位进行受力分析，求得其相应微元的转矩，再将所有微元转矩相 加得到风机的输出转矩。风轮在旋转过程中，叶素微元受力分析见说明书附图3。其中，风 轮是依靠气动升力dF来带动桨叶旋转，推动叶片绕中心轴转动的。气动力dF按垂直和平 行于风轮旋转面方向分解为法向力dFa和切向力dFu，叶轮转矩dT由切向力dFu。产生；而 桨叶的拍打振荡等情况则主要由法向力dFa引起。桨叶的轴向气动力Fa由下式给出：
[0043]
[0044] 规定风轮旋转平面内水平方向轴线为X轴，桨叶逆时针旋转为正方向，则桨叶的 中心线与X轴之间的夹角Θ即是桨叶的方位角。选定三叶风机中的某一桨叶为基准桨 叶，即桨叶1的方位角作为基准角Θ，则桨叶2的方位角为Θ+120°，桨叶3的方位角为 θ+Μ0°〇
[0045] 受风切变效应影响，忽略因风机型号不同而带来的桨叶设计形状的差异，设定每 个桨叶所受的平均风速为其桨叶中心处所受风速，则有：
[0046]
[0047] 式中，V。为距地面高度为Η。处的风速；ViS桨叶的桨叶平均风速，其中，i= 1，2, 3 ;n为风切变指数。
[0048] 根据桨叶的轴向气动力公式得到在风机基本参数的风密度等参数一定的情况下， 引起桨叶拍打振动的桨叶轴向气动力Fa与风速V的平方成正比。从而得到在额定风速以 上运行时，保持风机输出功率稳定和减小桨叶拍打振动为目标的桨叶方位角权系数
[0049] L
」 ^ ―1 a
[0050]S103、根据所述桨叶方位角权系数对每个桨叶重新分配期望桨距角。
[0051] 具体的，步骤S103包括：
[0052] 根据所述桨叶方位角权系数&对每个桨叶重新分配期望桨距角，分配后的