[发明专利]一种水平轴风力机舱两点悬浮式超低速偏航控制方法

权利要求书

1.一种水平轴风力机舱两点悬浮式超低速偏航控制方法，其特征是水平轴机舱悬浮和偏航独立控制，将偏航电流对机舱悬浮力影响和倾覆力矩设置为悬浮干扰，采用机舱悬浮稳态控制器和自适应干扰补偿方法悬浮机舱，将机舱两点悬浮电流差异对偏航主磁通影响和偏航负载转矩设置为偏航干扰项，采用偏航稳态控制器和自适应干扰补偿方法，设定偏航转矩电流参考，所述稳态控制器和自适应干扰补偿方法采用期望极点配置、状态反馈和虚拟变量引入相结合方法，构建含干扰逼近和跟踪误差的Lyapunov能量函数，以系统渐进收敛为目标，设计悬浮干扰、偏航干扰的自适应律，包括以下步骤：

步骤1，构建风力机舱两侧悬浮气隙运动方程为

式中，K＝μ₀N²S/4，ρ₁＝(cosθ/m+R²/J_m)，ρ₀＝(cosθ/m-R²/J_m)，μ₀为真空磁导率，N为两侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，i_f1和i_f2分别为前后侧悬浮电流，i_d和i_q为偏航励磁电流和偏航转矩电流，δ₁和δ₂分别为前后侧悬浮气隙，θ为俯仰角度，J_m为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量，g为重力加速度，f_d为机舱轴向干扰；T_s为机舱倾覆力矩，R为机舱旋转半径；

步骤2，基于(δ₁₀,i_f10)和(δ₂₀,i_f20)将式(1)转化为前后侧悬浮气隙调整模型：

式中：δ₁₀、δ₂₀、i_f10、i_f20和i_q0分别为平衡点处的前侧气隙、后侧气隙、前侧悬浮电流、后侧悬浮电流以及偏航转矩电流；

步骤3，以前侧悬浮气隙控制为例，将式(2)中机舱倾覆力矩、轴向干扰以及后侧悬浮对前侧性能影响部分统一归结为前侧悬浮干扰f_da1，引入前侧气隙跟踪误差为e₁＝δ_ref-δ₁，其中δ_ref为悬浮气隙参考，设置虚拟变量前侧气隙悬浮模型转化为：

虚拟控制输入为

前侧悬浮干扰为

第一步 对式(4)进行稳态控制器设计，采用反馈控制输入u＝-LE₁，其中L＝[k₁,k₂,k₃]为反馈矩阵，式(4)为能控标准型，极点可配置为两个主导极点s²+2ζω₀s₊ω₀²和一个实数极点-αω₀，ζ为阻尼系数，ω₀为角频率，式(4)闭环系统特征方程为：

第二步 由式(5)可得悬浮电流有效输入为：

其中，为前侧悬浮干扰f_da1估计值；

第三步 构建含对f_da1逼近以及前侧悬浮跟踪闭环系统Lyapunov函数

其中，η为正实数；矩阵Q为对称正定矩阵满足Λ^TP+PΛ＝-Q，Λ为式(4)期望系统矩阵，

第四步 设计前侧悬浮干扰自适应律，确保系统渐进收敛，对式(9)中V求导

设置则式(1)闭环系统稳定；

步骤4，将机舱两侧悬浮电流平均值作为转子励磁主导量，引入两侧电流波动量作为悬浮干扰影响电磁转矩和偏航电流，构建综合考虑悬浮电流主导量和波动量的风力偏航运动方程为

其中，ω为偏航角速度，i_d和i_q分别为偏航励磁电流和偏航转矩电流，为平均励磁电流，Δi_f为两侧悬浮电流波动量，n_p为转子极对数，J为转动惯量，B为摩擦阻尼，因机舱悬浮其值为0，T_L为含干扰输入的负载转矩，L_m为定转子之间互感，L_s为定子电感，R_s为定子内阻，L_f为悬浮绕组平均电感，σ为漏磁系数；

步骤5，偏航无阻尼超低速控制器设计，提供准确的偏航电流设定：

第一步 基于安装在机舱塔桶内编码器，获得转子旋转角度，采用转子磁链定向将定子电流解耦为转矩电流i_q和励磁电流i_d，将机舱两侧电流波动量对电磁转矩的影响和负载转矩T_L统一归结为偏航干扰f_d2，将式(11)转化为

其中，

第二步 引入转速跟踪误差e_ω＝ω_ref-ω和转速跟踪误差矩阵E＝[∫e_ωdt,e_ω]，其中ω_ref为转速参考，设置虚拟控制输入风力偏航转速误差方程转化为

第三步 对式(15)进行稳态控制器设计，采用反馈控制输入u＝-L₁E₁，其中L＝[k₄,k₅]为反馈阵，式(15)为能控标准型，极点配置为两主导极点s²+2ζ₁ω₁s₊ω₁²，ζ₁为阻尼系数，ω₁为角频率，则偏航转速有效控制输入为

其中，为偏航干扰f_d2的估计值；

第四步 构建含对f_d2逼近程度的偏航转速闭环控制正定Lyapunov函数为

其中，η₁为正实数；矩阵Q₁为对称正定矩阵满足Λ₁^TP₁+P₁Λ₁＝-Q₁，Λ₁为式(15)期望系统矩阵[00；-ω₁²-2ζω₁]，

第五步 设计偏航干扰f_d2的自适应率，为确保闭环系统渐进收敛，对正定标量函数Lyapunov微分为

设置则式(1)闭环系统稳定；

步骤6，偏航电流跟踪控制设计，对偏航无阻尼超低速控制器提供偏航电流设定快速无静差跟踪；

第一步 因转矩电流iq跟踪控制为例，将机舱两侧电流波动量对气隙磁通以及电流跟踪影响统一归结为偏航主磁通干扰f_q，定义虚拟变量则式(12)转化为

定义误差变量和转速跟踪误差矩阵E_i＝[∫e_qdt,e_q]，式(19)转化为

第二步 对式(13)进行稳态控制器设计，采用反馈控制输入u＝-L₂E_i，其中L₂＝[k₄,k₅]为反馈阵，式(20)为能控标准型，极点配置为两主导极点s²+2ζ₂ω₂s₊ω₂²，ζ₂为阻尼系数，ω₂为角频率，则偏航转矩电流有效控制输入为

其中，为偏航主磁通干扰f_q＝L_mωΔi_f/L_s的估计值；

第三步 构建含偏航主磁通干扰对f_q逼近程度的偏航电流闭环正定Lyapunov函数为

其中，η₂为正实数；矩阵Q₂为对称正定矩阵满足Λ₂^TP₂+P₂Λ₂＝-Q₂，Λ₂为式(19)期望系统矩阵[0 0；-ω₂²-2ζ₂ω₂]，

第四步 设计悬浮电流偏航主磁通干扰f_q的自适应率，为确保闭环系统渐进收敛，对正定标量函数Lyapunov微分为

设置则式(1)闭环系统稳定。