[发明专利]基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法

权利要求书

1.一种基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径R、齿轮箱变速比n_g以及风轮和发电机的转动惯量J_r、J_g，传动轴刚度K_s、阻尼系数B_s、额定转速ω_rate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λ_opt以及最大风能利用系数C_pmax；

步骤2、选取系统平衡点，记作：O(ω_r0,v₀,β₀)，对风机模型进行线性化，其中，ω_r0、v₀、β₀分别为系统平衡时的风轮转速、风速以及桨距角；风机模型线性化的方法如下：

由风轮的气动转矩表达式可得到气动转矩T_m是关于风轮转速ω_r、风速v和桨距角β的函数，选取平衡点O(ω_r0,v₀,β₀)，对气动转矩表达式进行泰勒展开并忽略高阶无穷小项，得到其线性化模型如下：

T_m＝T_m0+k_ωΔω_r+k_vΔv+k_βΔβ

其中，T_m0为系统平衡时的气动转矩；Δω_r＝(ω_r-ω_r0)；Δv＝(v-v₀)；Δβ＝(β-β₀)；

AGC模式下，采用基于转速调节的功率控制，当风机转速低于设定转速ω_set时，采用MPPT控制，为最大功率点P_opt(ω_r)输出；当风机转速大于设定转速ω_set时，以设定的功率指令P_set输出；此过程电磁转矩表示如下：

当风机转速大于设定转速ω_set时，风机以功率指令P_set输出，此时对电磁转矩在平衡点O处进行线性化可得：

其中，T_e0为系统平衡时的气动转矩；ω_g0为发电机的额定转速；P_set为RSC控制中的输出功率设定值，Δω_g＝(ω_g-ω_g0)；

步骤3、根据线性化模型，获取风机LPV模型，具体方法为：

根据线性化模型以及风机传动链和变桨执行机构的描述方程可得到风机LPV模型：

式中，τ为变桨执行机构的时间常数；状态量Δθ_s为低速轴和高速轴的偏差角的变化量、Δω_r为风轮转速变化量、Δω_g为发电机转速变化量、Δβ为桨距角变化量；扰动w＝[Δv]；控制输入u＝[Δβ_d]，Δβ_d为桨距角参考值变化量；输出y＝[Δω_g]；

步骤4、求解对应的线性矩阵不等式，得到相应平衡点的LPV变桨控制器；LPV控制器设计的具体形式：

其中，A_c、B_c、C_c、D_c为LPV控制器的系数矩阵，由以下方法求出：

对应于风机LPV模型，若存在两个对称矩阵X、Y以及四个矩阵使得以下矩阵不等式成立：

其中，γ为一组正的标量；

则存在该形式的LPV控制器，且控制器的系数矩阵可由以下表达式求出：

步骤5、根据风速和桨距角的变化范围进一步合成最终的LPV变桨控制器，LPV变桨控制器的具体形式：

根据风速的最大值v_max和最小值v_min及其对应的桨距角最大值β_max和最小值β_min构成凸四面体的四个顶点：可求解得到四面体每个顶点对应的控制器，用K₁,K₂,K₃,K₄表示，则四面体内部任一点的控制器可由该四个顶点得到；因此，对于选定的风速范围，桨距角控制器可表示为：

其中：

系统桨距角的参考值为β_d＝Δβ_d+β₀，通过LPV控制器得到控制输出量Δβ_d；ω_r0近似不变，通过数据拟合得到β₀和v₀的关系，从而根据风速得到β₀的大小。