[发明专利]基于线性自抗扰控制的变桨控制器设计方法

权利要求书

1.一种基于线性自抗扰控制的变桨控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取风机参数，包括额定转速、风机转动惯量；

步骤2、基于平衡点，建立风机线性化模型；风机线性化模型的具体形式如下：

已知风轮转速ω_r，气动转矩T_a和电磁转矩T_e，风机传动链的单质量块模型表示为

J为风机转动惯量；

对于气动转矩T_a，选取一个稳态平衡点O(v₀,β₀,ω_N,P_cmd0)，其中v₀、β₀、P_cmd0分别为风机系统在O点稳定时的风速、桨距角和功率指令，ω_N为额定转速；在该平衡点处对T_a线性化，忽略高阶无穷小项，T_a的一阶泰勒展开式为

T_a＝T_a0+α(v-v₀)+γ(β-β₀)+ζ(ω_r-ω_N) (2)

其中：T_a0为风机稳定在O点时的气动转矩，v和β分别为风机实际运行时的风速和桨距角；取ω_r＝ω_N，将最后一项忽略；

当风机参与电力系统的自动发电控制时，其功率指令由电网给定，已知电网的功率指令P_cmd，风轮转速ω_r，则风机的电磁功率T_e应为

对电磁转矩T_e在平衡点O处进行线性化，忽略高阶无穷小项，T_e的一阶泰勒展开式为

当风机稳定运行于O点时，此时风机的气动转矩与电磁转矩平衡，有T_a0＝P_cmd0/ω_r，则将式(2)和式(4)代入式(1)，化简得

令Δω_r＝ω_r-ω_N，Δv＝v-v₀，Δβ＝β-β₀，由于ω_N为一常数，其导数为零，所以有则式(5)可化为

令对式(6)进行拉普拉斯变换，可得

JsΔΩ_r(s)＝δΔΩ_r(s)+αΔW_v(s)+γΔU_β(s) (7)

变桨执行机构用一个一阶惯性环节表示：

其中，τ为变桨执行机构的时间常数，β_d为桨距角参考值；上式可重新表示为

令Δβ_d＝β_d-β₀，令对式(9)进行拉普拉斯变换，化简得

将式(10)代入式(7)，化简得

其时域表达式为

取系统控制输入u_WT

取风机系统工况总扰动f_WT

结合式(13)和式(14)，风机的线性化模型表示为

步骤3、基于线性风机模型设计线性状态观测器；线性状态观测器的具体形式如下：

其中：z₁、z₂、z₃分别为对Δω_r、f_WT的估计量，ω_o为观测器参数；

步骤4、基于线性风机模型设计PD控制器；PD控制器的具体形式如下：

其中：u₀为控制分量，r为跟踪参考，即额定转速，k_p为比例增益系数，k_d为微分增益系数；比例增益和微分增益由控制器参数ω_c调节，具体表示为

步骤5、遍历得到灵敏度随风速和功率指令的变化关系，合成线性自抗扰变桨控制器；线性自抗扰变桨控制器的具体形式：

桨距角β调节气动功率P_a的灵敏度S_β可表示为

灵敏度S_β与风速v和功率指令P_cmd相关，其关系通过遍历仿真得到；风机气动功率与气动转矩之间近似满足T_a＝P_a/ω_N，有：

由式(13)，系统控制输入u_WT可重新表示为

则控制器得到的桨距角参考值可表示为