[发明专利]一种风力发电系统大工况范围控制方法

权利要求书

1.一种风力发电系统大工况范围控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：风力发电系统各部件的物理特性构建风力发电系统微分方程模型，得到其机理模型，利用机理方程，选择转子转速ω_r、发电机转速ω_g、传动轴前后位移偏差δ和桨距角β为状态变量，分别记为x₁，x₂，x₃，x₄，x＝[ω_r，ω_g，δ，β]′，并建立风力发电系统的非线性模型，将非线性模型写成仿射的状态空间的形式，记其中非线性状态矩阵为f(x)，线性的输入矩阵为G，非线性模型写为：其中，式中：T_m为风力发电系统的叶轮转矩，B_DT为风电机组的传动轴弹性系数，K_DT为风电机组的传动轴扭转系数，J_r为叶轮转动惯量，N_g为齿轮箱传动比，B_g为发电机转矩-转速曲线斜率，J_g为发电机转动惯量，τ_β为变桨执行机构惯性时间常数，u＝[β_d，ω_z]′，为控制参数中的桨距角设定值和发电机转速设定值；这里u＝[β_d，ω_z]′用于表明u由两部分参数构成；

步骤2：设输出参数y＝h(x)＝[ω_r，δ]′，判断L_GL_fh的值，L_GL_f表示h的李导数，验证判断L_GL_fh的非零行，当L_GL_fh不等于0时，进行几何线性化；

步骤3：选择状态参数中的x₁和x₃，计算其一阶和二阶李导数；

步骤4：构建微分同胚结构φ，映射得到几何线性化后的风电机组额定风速以上工况大范围线性模型，记为其中z为新的状态空间变量，A和B分别为微分同胚后的线性系统状态和输入矩阵，υ为线性模型的输入参数且υ＝f_z+G_zu；

微分同胚结构φ为：

φ(x)＝[x₁，L_fx₁，x₃，L_fx₃]′，

经过微分同胚，得到的新状态空间模型为：

其中，各变量分别为：

步骤5：对几何线性化后的风电机组大工况范围模型的极点分布，构建包括以最右边界线、最大扩张角、最大分布半径的目标极点区域，并利用区域极点配置的方法，计算得到反馈控制率υ′＝Kz；反馈增益矩阵K通过区域极点配置的方法计算得到；

步骤6：结合以上几何线性化和微分同胚，计算真实系统控制率利用得到的微分同胚结构φ计算真实系统控制率对所建模机组进行测试，分析其动态性能，包括系统是否超调、超调量大小、调节时间长短和是否存在稳态误差；

步骤7：利用鲁棒控制中区域极点配置的方法来构造目标极点区域，这一区域的边界由以下各部分构成：

最右边界限，即虚轴左侧某一与虚轴平行的直线，限制目标极点调节区域的最右边界；

最大扩张角，限制目标极点区域中，复极点与原点的最大夹角，来实现对动态特性的调节；

最大分布半径，即目标极点区域的最后边界；

在对这三个边界进行设置以后，分别调整目标极点区域的最右边界线、最大扩张角、最大分布半径，返回步骤5，重复步骤5、6、7进行系统动态性能调节，直到变桨动作速率在速率限制以下，扰动工况下，机组功率输出稳定，转速、转矩参数波动平缓，变桨动作平缓；

步骤8：结束计算，并保存当前真实系统控制率u′，作为所设计机组的大工况范围控制器。