[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

说明书

本发明公开了一种基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法，针对风电参与电力系统自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)时根据单一风况设计的传统PI变桨控制器无法快速响应高湍流风速，导致风机转速振荡的问题，该方法在传统风机的非线性模型基础上，将风机模型进行线性化得到其线性变参数(Linear parameter‑varying，LPV)模型，通过求解不同平衡点处的线性矩阵不等式得到相应的变桨控制器。与传统PI变桨控制器相比，本发明设计的LPV变桨控制器，在AGC模式下对于不同风况均具备良好的转速调节效果，可有效提高系统的鲁棒性。

技术领域

本发明属于风机变桨控制领域，具体涉及一种基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法。

背景技术

随着风电大规模接入电网，迫切要求风电机组能够响应电网的功率指令，具备有功功率调节能力，参与到电力系统AGC中。传统风机MPPT策略无法跟踪电网调度机构给定的功率指令，风机由MPPT模式向AGC模式转变，这种模式切换使得风机发生变桨的风速范围变宽，桨距角调节受风速的影响更加剧烈，对风机的变桨控制以及转速调节带来了巨大的挑战，传统变桨控制器很难满足AGC模式下对变桨控制性能的要求。

目前，风机的变桨控制策略可以分为三大类：基于PI控制、基于PI的改进控制以及其他先进变桨控制策略。PI控制方法实现简单、容易实现、应用较为广泛，但是其转速响应速度比较慢，动态性能较差，难以很好地应对风速波动带来的不确定性扰动；基于鲁棒控制、滑模控制、自适应等先进控制理论改进的PI变桨控制器，这类研究的控制优化改进传统PI控制器的控制效果，但是需要依靠较为精确的风机模型；基于人工神经网络等智能算法的变桨控制策略，这类方法进一步提升了变桨控制器的性能，能取得较好的转速调节效果，但同时也需要较大的样本数据与较长的时间进行寻优。

研究发现：在AGC模式下，由于输出功率随调度指令改变，使得风机发生变桨的风速范围变宽，桨距角调节受风速影响更为剧烈；同时由于桨距角调节气动功率的灵敏度随着风速变化而大幅改变，这使得针对单一风况设计的PI变桨控制器，在其他风况下可能出现转速收敛缓慢或是振荡的问题。以上变桨控制策略并未考虑该问题，尤其当风机在高湍流风况下运行时，风轮转速将剧烈波动，加剧风机传动链的磨损，严重影响风机的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法，通过设计LPV变桨控制器，对不同的平衡点采取不同参数的变桨的控制器，在保证系统稳定性的同时，对于不同风况均具备良好的转速调节效果，可有效提高系统的鲁棒性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法，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；

步骤3、根据线性化模型，获取风机LPV模型；

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；

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。