[发明专利]获取变速风力发电机组最大风能的非线性预测控制方法

说明书

本发明公开了一种获取变速风力发电机组最大风能的非线性预测控制方法，包括：引入动态区域来约束发电机转矩的允许范围；确定候选发电机转矩的有限控制集；搜索最优发电机转矩序列；将最优发电机转矩序列的第一个元素作为控制器输出。本发明在变速风力发电机组非线性预测模型的基础上，直接搜索最优发电机转矩序列，使所提出的控制器充分利用较长的预测范围，该方法在最大风能获取方面具有较高的效率和优越的性能。

技术领域

本发明涉及工业控制领域，具体涉及一种获取变速风力发电机组最大风能的非线性预测控制方法。

背景技术

大型变速风力发电机组(VSWTs，variable-speed wind turbines)的最大风能获取(MWEE，maximum wind energy extraction)是通过跟踪最大功率点(MPP，maximum powerpoint)来实现的，也就是说叶轮的最佳转速依赖于风速，但是增加的转动惯量和高湍流阻碍了大型变速风力发电机组MPP跟踪的实现。为了提高变速风力发电机组的风能获取，学者提出一些先进的预测技术，例如激光雷达(LIDAR，light detection and ranging)和先进预测方法，从而利用未来的风信息进行控制。比如，一些学者尝试将预测风速作为可靠的输入进而优化转子转速参考值。与此同时，诸多利用预测风速的预测控制技术也发展起来，用以跟踪MPP。然而，现有预测控制技术均采用线性模型线性化方法，仅能在短预测时域内实现局部最大风能捕获。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种用于获取大型变速风力发电机组最大风能捕获的非线性预测控制方法。

本发明采用以下技术方案：

一种获取大型变速风力发电机组最大风能的非线性预测控制方法，包括：

S1、引入动态区域来约束发电机转矩的允许范围；

S2、确定候选发电机转矩的有限控制集；

S3、搜索最优发电机转矩序列；

S4、将所述最优发电机转矩序列的第一元素作为控制器输出。

进一步，所述步骤S1包括：

所述动态区域为：

其中，和时应所述发电机转矩的最小值和最大值，分别根据下面两个公式动态地进行调节：

其中，k^opt是最优转矩增益，其中，ρ是空气密度，R是叶轮半径，是最大气动系数，λ是叶尖速比；

分别表示最小预测的叶轮转速和最大预测的叶轮转速，

其中V₁，V₂，...，V_n表示平均风速，c₁和c₂分别是小于1和大于1的常值。

进一步，所述步骤S2包括：

将所述动态区域划分为m个子区间，得到包含m个元素的有限控制集：

仅对第一个周期进行全局搜索，对剩余的n-1个周期采用邻域搜索技术，在第k个周期内那么在第k+1个周期的可用搜索域为：

其中，m_p≤m是领域候选数目。

进一步，所述步骤S3还包括：

计算所述有限控制集中每一个发电机转矩对应的叶轮转速，计算公式如下：