[发明专利]基于三步法的风力发电机功率调节控制方法

说明书

本发明提出一种基于三步法的风力发电机功率调节控制方法，包括根据风的特性建立风速的数学模型；根据风力发电机的工作原理建立风力发电机系统(空气动力子系统、传动子系统、发电机子系统、变桨距子系统)的数学模型；利用三步法控制器，基于三步法，即通过稳态控制、参考动态前馈控制、误差反馈控制，分步骤设计功率调节控制，通过控制风力机的桨距角，使风力发电机在额定风速以上时，输出功率保持在额定值。

技术领域

本发明属于新能源控制与应用技术领域，尤其涉及一种基于三步法的风力发电机功率调节控制方法。

背景技术

随着科学技术的日新月异，新能源发展越来越迅速。未来很长一段时期内，各类新能源发电将迎来大规模发展时期。近年来，由于资源的短缺和环境的恶化，风能作为主要的、清洁的可再生能源之一，越来越受到关注和青睐。风机作为最主要的风能转换系统在当今的发电系统中越来越重要。风机的类型多种多样，常见的两种水平轴风机是：定速定桨距风机和变速变桨距风机。对于变速变桨距水平轴风力发电机，风力发电机的控制目标分为两部分：在额定风速以下风机的主要控制目标是获取尽可能多的风能；在额定风速以上风机的主要控制目标是通过控制桨距角令输出功率保持在额定值。

风力发电机的主要任务是通过调节风机叶片的桨距角和发电机的输出转矩，保证低风速下风能利用率和高风速下的额定功率(恒转速)控制。针对额定风速以上风机的功率调节问题，人们相继提出了许多的控制方法。PID或PI控制器是目前应用于风电机组桨距控制中最广泛、最成熟的一种控制策略。其最大的优势就是不依赖于风电机组的控制模型，控制系统设计结构简单、有较高的稳定性和精确性，能够实现系统参数的快速调节。其主要缺点是：不能很好地解决风电机组控制系统中存在的非线性耦合和不确定因素的影响，当风机的工作点发生变化时，控制性能将会恶化，需要重新调整参数。最优化控制策略是现代控制理论的重要组成部分，现也已被专家学者应用于风电机组的变桨距控制的研究。它主要依靠风电机组控制系统的数学模型，运用状态空间分析法，利用极值原理和动态规划等进行最优解的控制。变桨距最优控制器的设计通常以风机控制系统的状态输出和控制输入的加权二次型函数作为控制的性能指标，同时还要考虑风机控制对象的动态性能和经济指标。但是，最优控制策略需要建立风电机组控制系统精准的数学模型，在此基础上，才能够达到最佳控制，而实际风机运行中很难建立精准的控制模型。滑模变结构控制作为非线性控制器，也已被应用于风机变桨距控制问题研究。滑模变结构控制实际上可以看作是一个不连续的开关控制。它的特点是能够解决控制系统的非线性影响，对系统参数的变化不敏感，控制器设计简单、易于实现，并且能够像开关一样频繁、快速地对控制系统的状态进行切换，为风机变桨控制提供了一种较为有效的方法。所以，滑模变结构控制理论在解决风机变桨非线性控制方面具有许多独特的优点。但是，滑模变结构控制由于不连续的开关控制，系统容易出现抖振，也使得其控制的静态误差变大。

近年来，先进控制理论在风机的控制与实际应用中得到快速发展，除了上述控制方法，还包括H∞鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等，且各有自己独特的优势和自身存在的弊端。针对以上存在的不足，本发明主要解决额定风速以上的风力发电机功率调节控制问题。

发明内容

本发明提出了一种基于三步法的风力发电机功率调节控制方法，包括如下步骤：

根据风的特性建立风速的数学模型；

根据风力发电机的工作原理建立风力发电机系统的数学模型；

利用三步法控制器，基于三步法，分步骤设计功率调节控制，通过控制风力机的桨距角，使风力发电机在额定风速以上时，输出功率保持在额定值；

其特征在于：所述三步法控制器包括稳态控制、参考动态前馈控制、误差反馈控制。

风速的数学模型表达式为：

v_wind＝v_m+Δv_wind