[发明专利]奇异摄动风力发电模型最大功率点跟踪的时滞控制方法

权利要求书

1.一种奇异摄动风力发电模型最大功率点跟踪的时滞控制方法，其特征在于，所述时滞控制方法包括：

S1：考虑风速低于额定风速的情形，采集风力发电机系统相关数据，针对变速变桨距类型的风力发电机建立非线性奇异摄动模型；

S2：选择5个操作点θ_j，j＝1,2,…,5，使得以操作点为顶点的集合构成一个凸包Θ，Θ＝Co{θ₁,θ₂,θ₃,θ₄,θ₅}，对于凸包Θ内的任何一个点θ，θ∈Θ，都存在一组非负数α_j≥0,j＝1,2,…,5，使得：

且

S3：通过在多个操作点θ_j处将非线性奇异摄动模型线性化，获得5个线性时不变奇异摄动模型；

S4：针对5个线性时不变奇异摄动模型，结合给定的γ和每个操作点θ_j，通过求解矩阵不等式，设计得到H_∞鲁棒时滞控制器K_j(θ_j)，使得闭环线性时不变奇异摄动模型是鲁棒稳定的，γ是对系统传递函数的无穷范数的指标要求；

S5：在t_k时刻，测量获得θ(t_k)，并且计算权重系数α_j，使得其满足：

S6：在t_k时刻，对原系统的控制器设计为：

S7：根据下述公式计算控制输入u(t_k)：u(t_k)＝K(θ(t_k))X(t-h)，其中K(θ(t_k))为控制器增益，X(t-h)为奇异摄动模型的状态变量，t为时间，h为时滞；将计算控制输入u(t_k)应用到原非线性风力发电系统；

S8：设t_k＝t_k+1，重复步骤S5-S8，以对风力发电系统进行实时控制；

步骤S1中，所述非线性奇异摄动模型为：

其中，ω_r(t)为风轮转速，i代表变速箱减速比，η表示变速箱效率，J_r是风机惯性力矩，T_r为空气动态力矩，ω_g(t)为电机转速，J_g为电机惯性力矩，T_H(t)为高速轴转矩，T_g(t)为发电机的电磁转矩，K_g为高速传动轴的刚性系数，B_g是高速传动轴的阻尼系数，ε＝0.01为奇异摄动参数，i_d(t)、L_d、u_d(t)和i_q(t)、L_q、u_q(t)分别为d轴和q轴分量的定子电流、电感和电压，R_s为定子的电阻，p为极对数个数，φ_m是磁通量；空气动态力矩T_r的动态特征描述为其中ρ是空气密度，V(t)为风速，R为风机平面半径，功率系数C_Q(λ)是由叶尖速比λ(t)的二次多项式逼近的：

C_Q(λ)＝C_Qmax-k_Q(λ(t)-λ_Qmax)²，C_Qmax是最大力矩系数，λ_Qmax表示对应最大力矩系数的叶尖速比，k_Q为逼近系数；叶尖速比λ(t)定义为：发电机的电磁转矩T_g(t)为T_g(t)＝pφ_mi_q(t)；

步骤S2中，所述5个操作点θ_j表示为：

步骤S3中，所述通过在多个操作点θ_j处将非线性奇异摄动模型线性化，获得5个线性时不变奇异摄动模型包括以下步骤：

S31：在操作点处，计算对应的发电机的电磁转矩和空气动态力矩从而计算得到操作点θ_j对应的

S32：令δV(t)＝V(t)-V^j，将非线性奇异摄动模型线性化，可得：

其中δV(t)被当作扰动，系数矩阵如下：

式中，B_gq(θ_j)、B_qg(θ_j)、B_gd(θ_j)、B_dg(θ_j)、B_r(θ_j)、K_rv(θ_j)是θ_j的仿射函数，

S33：得到线性变参数奇异摄动模型：

S331：标记z(t)＝[δi_d(t) δi_q(t)]^T，u(t)＝[δu_d(t) δu_q(t)]^T，那么

其中B(θ_j)＝[B₁(θ_j) B₂]；

S332：设对于任意θ∈Θ，都存在一组正数α_j＞0,j＝1,2,…5使得：

则在任意操作点θ∈Θ，将线性变参数奇异摄动模型变换为：

步骤S4中，所述针对5个线性时不变奇异摄动模型，结合给定的γ和每个操作点θ_j，通过求解矩阵不等式，设计得到H_∞鲁棒时滞控制器K_j(θ_j)，使得闭环线性时不变奇异摄动模型是鲁棒稳定的过程包括以下步骤：

S41：针对给定的γ和操作点θ_j，j＝1,2,…5，设计H_∞鲁棒时滞控制器为：将之代入线性变参数奇异摄动模型，可得

其中，

S42：设矩阵不等式条件和证明过程中系数矩阵A(θ_j)被简记为A；

对于已知ε＞0，h＞0，若存在5×5维矩阵P_ε，使得E_εP_ε＞0成立，2×2维矩阵Q,2×2维矩阵R₁＞0,2×2维矩阵R₂＞0和5×5维矩阵H使得下述矩阵不等式成立，则确定闭环线性时不变奇异摄动模型是鲁棒稳定的，控制器的增益系数为其中为的广义逆矩阵：

其中：

2.根据权利要求1所述的奇异摄动风力发电模型最大功率点跟踪的时滞控制方法，其特征在于，所述风力发电机系统相关数据包括变速箱减速比、变速箱效率、风机惯性力矩、电机惯性力矩、发电机的电磁转矩、高速传动轴的刚性系数、高速传动轴的阻尼系数、定子的电阻、d轴和q轴分量的定子电感、极对数个数、磁通量。