[发明专利]一种基于T-S模糊模型的风电机组H-infinity变桨距控制方法

权利要求书

1.一种基于T-S模糊模型的风电机组H-infinity变桨距控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.确定风速四分量模型，

获得风电场的风速波动数据，从而掌握风电机组的动态特性，

基本风可以由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定：

其中：为基本风速(m/s)；A为威布尔分布的尺度参数；K为威布尔分布的形状参数；为伽玛函数；

阵风V_WG，描述风速突然变化的特性，阵风表示：

其中：V_cos＝(V_WGmax/2){1-cos2π[(t/T_G)-(T_1G/T_G)]}；V_WG，T_G，T_1G，V_WGmax分别为阵风风速，周期，阵风启动时间和阵风最大值；

渐变风V_WR，风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟：

其中：V_ramp＝V_WRmax[1-(t-T_2R)/(T_1R-T_2R)]；V_WR，V_WRmax，T_1R，T_2R，T_R分别为渐变风风速，最大值，渐变风起始时间，终止时间，和保持时间；

随机风V_WN，风速变化的随机性可用随机噪声风速成分来表示：

其中：N为统计风速总数，Vw为风速频率间距，为0:2π之间均匀分布的随机变量，K_N为地表粗糙系数；F为扰动范围，μ为相对高度的平均风速；

S2.确定风电机组模型，

风机的动态方程为：

其中：J为风机及发电机总转动惯量；T_gen为发电机的电磁转矩；T_aero为风机气动转矩，为整个机组的驱动力矩，T_aero可表示为：

其中：ρ为空气密度；C_P为风能利用系数；λ为叶尖速比；ν为风速；β为叶片节距角；R为风轮半径，ω_r为风机转速；叶尖速用下式表示：

本发明中风能利用系数采用下式的特性曲线：

其中：

桨距角执行机构为一阶惯性环节：

其中：T_β为时间常数；

由于存在滞后，测速装置用一个一阶惯性环节来表示：

其中：ω_rm为速度传感器测得的风力机的角速度，T_ω为时间常数；

以上方程(5)-(10)构成了风力机组的非线性模型

这是一个三阶非线性系统，状态变量有桨叶节距角β、风轮转速ω_r、风机的测量转速ω_rm；

S3.设计T-S模糊控制器，

本发明采用T-S模糊系统理论设计控制器，方法是：首先，在多个不同的工况点将非线性系统化为若干个线性子系统；然后为各个子系统设计控制器；最后通过隶属度函数将各个子系统的控制器相叠加，得到系统的全局控制器；

非线性系统的状态方程如下：

则该非线性系统的模糊状态方程模型可以描述为：

由此即可得出整个非线性系统的状态方程式：

式中，μⁱ(x)为x属于Mⁱ的隶属度函数，同时也表示第i条规则的适用度；在模糊控制系统中，选择隶属度函数主要有模糊统计、主观经验等方法；最常用的隶属度函数形式有正态型、三角型和Z型隶属度函数三种，这里采用三角型隶属度函数，表达式如式(14)所示；

S4.求取T-S模糊控制器，

任取一个平衡点(x₀,u₀)，则其满足式：然后再用泰勒级数把上式展开，并且把高次项省略掉，得：

其中Δx＝x-x₀，Δu＝u-u₀，

运用H-infinity理论求取各个线性子系统的状态反馈控制器；并行分配补偿法控制器设计如下

then u_i(t)＝-K_ix(t)

然后根据并行分配补偿法控制器设计思路，将各个线性子系统的状态反馈控制器通过隶属度函数叠加起来就是整个系统的控制规律：

其中，

S5.确定H-infinity控制方法，

P(s)是一个线性时不变系统，由以下状态空间描述：

其中：x∈Rⁿ是状态向量，u∈R^m是控制输入，y∈R^p是测量输出，z∈R^r是被调输出，ω∈R^q是外部扰动，A,B₁,B₂,C₁,D₁₁,D₁₂,C₂,D₂₁,D₂₂为常数矩阵，A∈R^n×n，B₁∈R^n×q，B₂∈R^n×m，C₁∈R^r×n，D₁₁∈R^r×q，D₁₂∈R^r×m，C₂∈R^p×n，D₂₁∈R^p×q，D₂₂∈R^p×m；由输入信号ω，u到输出信号z，y的传递函数K(s)所表示的对象为增广被控对象，它包括实际被控对象和为了描述指标而设定的加权函数等，K(s)为控制规律；

H-INFINITY控制问题的目的就是要设计控制器u(s)＝K(s)y(s)，使如图2所示的闭环系统内部稳定，并使从ω到z的传递函数T_zw(s)的H-infinity范数，即||T_zw(s)||_∞最小；

若此系统为状态反馈，即C₂＝I,D₂₁＝D₂₂＝0,则只要此系统满足以下条件：(A,B₂)可稳定，可检测；D₁₁＝0；此系统必能引入一个状态反馈H-INFINITY控制器u＝Kx，使得此闭环系统渐进稳定的，并且此闭环系统的传递函数T_zw(s)满足

||T_zw(s)||_∞＝||(C₁+D₁₂K)[sI-(A+B₂K)]^-1B₁+D₁₁||_∞γ；

上式中γ选取尽量小的正数，以减少扰动对系统的不利影响；使上式成立的充分必要条件是存在正定矩阵P，满足如下的Riccati方程

从而得出此系统的反馈控制

S6.设计基于T-S模糊模型的H-infinity控制器，

将风力机组的非线性数学模型(11)写成的形式，则

g₁(X)＝[0 1 0]^T，u＝β_r，X＝[β ω_r ω_rm]^T；

分别在风速V₁＝11m/s，V₂＝13m/s，V₃＝15m/s，V₄＝17m/s，V₅＝19m/s和V₆＝21m/s时按泰勒展开的方式对系统进行局部线性化，得6个线性子系统，线性模型如下：

where,x(t)＝[β ω_r ω_rm]^T,represent the state vector,u(t)＝β_ris the controlinput,y(t)is the system output.The system matrices are as follows.

B_wi＝[0 1 0]^T，B_i＝[5 0 0]^T，C＝[0 1 1]^T；

T-S模糊模型是处理非线性系统的有力工具，选取合适的隶属度函数；再依据H-INFINITY控制理论，由公式(13)和(14)分别对6个线性子系统设计桨距角控制器u₁,u₂,u₃,u₄,u₅,u₆，u_i＝K_ix；

根据模糊规则：If V₁＝11m/s,β is about-2.6°,then u₁＝K₁x；

If V₂＝13m/s,β is about 7.9°,then u₂＝K₂x；

If V₃＝15m/s,β is about 14.6°,then u₃＝K₃x；

If V₄＝17m/s,βis about 19.5°,then u₄＝K₄x；

If V₅＝19m/s,β is about 23.3°,then u₅＝K₅x；

If V₆＝21m/s,βis about 26.2°,then u₆＝K₆x；

最后将各个线性子系统的桨距角控制器通过隶属度函数叠加起来，完成基于T-S模糊模型的H-INFINITY控制器的设计：