[发明专利]基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法

说明书

本发明涉及一种基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法，属电气工程技术领域。该方法采用滑模自适应神经网络控制策略，使磁悬浮垂直轴风电机组的悬浮系统实现稳定悬浮：在起浮阶段，采用滑模控制+PID控制策略，使旋转体上升至悬浮平衡点；然后改用自适应神经网络滑模控制+PID控制策略，利用RBF神经网络估算未知干扰项，输出至自适应神经网络滑模控制器，然后将此滑模控制器的输出求开方，得到悬浮气隙跟踪控制器的输出，即悬浮电流的参考值，减去其实际值，经内环悬浮电流跟踪控制器，实时调整悬浮电流，实现稳定悬浮。本发明自适应能力强、动态响应快、抗干扰能力强，稳定性好，可确保整个悬浮过程系统性能实时最优。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其是一种基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法，属于电气工程技术领域。

背景技术

目前大功率风力发电机主要以水平轴风力发电机为主。但水平轴风力发电机存在启动阻力矩大、需要偏航对风、控制困难、安装不便等固有缺陷，影响其健康发展，尤其难以满足弱风型风电场对低风速启动的要求。

磁悬浮垂直轴风力发电机因为无机械摩擦，大大降低了启动阻力矩，因而可进一步降低起动风速，具有启动风速低、安装简便、无需偏航装置等优势，可用于风速低、风向变化频繁(因垂直轴风力发电机无需对风)的风电场，是未来风电发展的重点方向。在实际工作环境中，磁悬浮垂直轴风电机组的悬浮控制必须满足自适应能力强、动态响应快、抗干扰能力强等要求。

但在实际应用中，磁悬浮技术存在着诸多挑战，如：开环不稳定、强非线性、建模不精确等；同时，风力干扰的随机性严重影响悬浮稳定性，使得悬浮控制器的设计极具挑战性。常规PID控制器结构简单,但控制器的参数在线调整困难，难以自动调节以适应外界环境的变化，因此对处于随机干扰下的风电磁悬浮系统很难达到理想的控制效果。串级PID控制可以通过减小副回路闭环系统的相位滞后和等效时间常数来提高系统稳定性和响应速度，通过副回路控制器增益增加串级控制系统有阻尼频率来改善系统的控制质量，设计简单、结构灵活、鲁棒性较强，但依赖确定的对象模型，且控制器的参数固定，当对象模型和参数不确定时，控制效果不明显。基于BP神经网络的串级PID控制器能够通过BP神经网络实时调节悬浮气隙外环PID控制器的参数，具有较快的动态响应速度和较好的抗干扰能力，但收敛速度慢，容易陷入局部极小值。也有文献提出一种基于混合磁通密度观测器的自适应滑模控制器来提高悬浮系统的系统性能，但在实际运行中磁通密度传感器不易安装，方法实施难度较大。有的采用基于自适应神经模糊滑模控制器的控制策略抑制参数摄动，但由于使用单闭环控制，当电流发生突变时，系统鲁棒性降低。此外传统的滑模控制一般采用含有符号函数的指数趋近律，但符号函数不是光滑函数，对削弱滑模抖振不利。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本发明提供一种基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法，通过自适应神经网络控制，结合滑模控制，并采用连续光滑的双极性S型函数代替传统滑模指数趋近律中的符号函数，在磁悬浮垂直轴风电机组的悬浮系统建模不精确、受到风速变化导致的随机干扰的情况下，提高磁悬浮垂直轴风电机组的悬浮控制性能，实现稳定悬浮。

为了达到以上目的，本发明所述磁悬浮垂直轴风电机组，包括：磁悬浮垂直轴风力发电机、悬浮控制系统、气隙传感器、风轮、上端轴承、下端轴承、外壳、和转轴等；所述磁悬浮垂直轴风力发电机包括永磁直驱型风力发电机和磁悬浮盘式电机。

所述永磁直驱型风力发电机包括定子和转子。

所述磁悬浮盘式电机位于所述永磁直驱型风力发电机的下方，包括盘式定子和盘式转子；所述盘式定子由盘式定子铁芯和悬浮绕组组成，所述悬浮绕组为直流励磁绕组。

所述悬浮控制系统由悬浮变流器及其悬浮控制器组成，所述悬浮变流器与所述悬浮绕组连接；所述悬浮控制器包括外环悬浮气隙跟踪控制器和内环悬浮电流跟踪控制器。

所述永磁直驱型风力发电机的转子、所述磁悬浮盘式电机的盘式转子、所述风轮和所述转轴统称为旋转体。