[发明专利]一种基于观测器的风力发电机最佳转速有限时间跟踪控制方法

说明书

一种基于观测器的风力发电机最佳转速有限时间跟踪控制方法，它属于风力发电系统控制技术领域。本发明解决了现有的常规控制方法存在着风能捕获效率低的问题。本发明方法的具体实施过程为：步骤一、建立考虑模型不确定性和外界扰动的风力发电系统以及误差系统的动力学方程；步骤二、以滑模面为基础，设计滑模干扰观测器；步骤三、基于滑模干扰观测器的观测结果来设计有限时间反步跟踪控制器，利用设计的有限时间反步跟踪控制器来对风力发电系统进行控制。本发明可以应用于风力发电系统控制。

技术领域

本发明属于风力发电系统控制技术领域，具体涉及一种基于观测器的风力发电机最佳转速有限时间跟踪控制方法。

背景技术

风能以独有的优势而成为近十年来增长最快的能源之一，正受到世界各国的重视。随着风力发电机组向着大型化、高参数化方向发展，对风力发电机组风能利用率、输出电能品质和运行平稳性的要求也越来越高。然而，风力发电系统所具有的非线性和强耦合性以及各种不确定干扰等使得当前部分经典的最大功率跟踪控制方法效果不佳，当前各国的研究重点旨在额定风速下控制风轮转速跟踪最佳转速，从而捕获更多的风能(Yuan Y,Tang J.On Advanced Control Methods toward Power Capture and Load Mitigationin Wind Turbines[J])。

由于高度非线性、交叉耦合的系统动力学特性，以及自然风速、电网需求和系统运行工况的动态变化，对风力发电系统模型引入了较大的模型不确定性和外界扰动，进而增大了控制器设计的难度。目前最大功率跟踪常用的控制方法有最佳转矩法、功率曲线法、叶尖速比法等(JizhenLiu,HongminMeng,YangHu,ZhongweiLin,Wei Wang.A novel MPPTmethod for enhancing energy conversion efficiency taking power smoothing intoaccount[J])，其中叶尖速比法被广泛用于理论研究。该方法主要通过在风速变化时将风力发电机的叶尖速比维持在最佳值，从而保持最大的风能捕获率。常规控制方法往往存在风轮抖振现象较严重、风能捕获效率较低等问题，降低了风力发电系统的安全性、可靠性和经济性。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的常规控制方法存在着风能捕获效率低的问题，而提出了一种基于观测器的风力发电机最佳转速有限时间跟踪控制方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于观测器的风力发电机最佳转速有限时间跟踪控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立考虑模型不确定性和外界扰动的风力发电系统以及误差系统的动力学方程；

所述误差系统的动力学方程为：

式中，J为风机总的转动惯量，J_r为低速轴的转动惯量，J_g为高速轴的转动惯量，T_a为气动转矩，n_g为齿轮箱的传动比，T_g为发电机电磁转矩，ω_r为风轮旋转角速度，ω_ref为风轮旋转角速度的期望值，是ω_ref的一阶导数，e为误差变量，是e的一阶导数，F为模型不确定性和外界扰动之和，B为风机总的阻尼系数，B_r为低速轴的阻尼系数，B_g为高速轴的阻尼系数；

定义误差变量e为：

e＝ω_r-ω_ref (2)

ω_r＝ω_ref＝λ_optv/R (3)

式中，v为风速，λ_opt为最佳叶尖速比，R为风轮半径；