一种用于风力发电装置的最大功率跟踪控制方法

本发明属于风力发电系统控制，具体涉及一种用于风力发电装置的最大功率跟踪控制方法。

背景技术：

1、随着人们生活水平的提高对能源的需求日益增加，导致传统能源消耗过度、环境污染严重，对新能源的开发刻不容缓，近十年来我国加大了对新能源的开发力度，风电光伏连续3年新增装机超过1亿千瓦、年发电量突破1万亿千瓦时，2022年风电、光伏发电平均利用率分别约97％和98％，风力发电具有对环境要求低、节能环保等特点，所以风力发电技术成为了新能源发电研究的重要课题。风力发电主是将风能有效转化成机械能，通过发电机将机械能再转换为电能，为使风能最大效率的转化为电能，需要通过最大功率跟踪控制方法得到最佳的发电机转速，目前应用最为广泛的控制为最佳叶尖速比。

2、由于永磁同步风力发电系统存在不确定性、系统参数摄动、外部扰动和低效率等问题，导致系统的鲁棒性较低。传统的pi控制精度低，且鲁棒性得不到保证，滑模控制通过设计滑模面使系统达在滑模面附近滑动，不依赖于系统参数，具有较强的鲁棒性，且参数调节简单，但由于滑模控制的特性，使得系统存在高频抖振，导致系统控制精度降低，因此抑制抖振现象对滑模控制尤为重要。为使发电机达到最佳转速，需要获取准确的发电机转速信息，实际应用中通常采用传感器来获取发电机转速信息，这使得系统总的成本增加，且传感器对工作环境有一定要求，采用无传感器控制算法可以准确的估算出发电机转速信息，且不受环境影响，减小系统成本。

3、有鉴于此，发明人期望提供一种用于风力发电装置的最大功率跟踪控制方法，能够解决现有永磁同步风力发电系统滑模控制存在的高频抖振、风能利用率低和估算发电机转速等问题。

技术实现思路

1、针对永磁同步风力发电系统滑模控制存在高频抖振、风能利用率低和估算发电机转速等问题，本发明提出了一种用于风力发电装置的最大功率跟踪控制方法，能够实现风力发电系统的最大功率跟踪，有效抑制抖振现象，实际应用中能准确估算发电机转速信息，降低成本，提高系统稳态精度和动态性能。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种用于风力发电装置的最大功率跟踪控制方法，包括如下步骤：

4、s1、建立基础风、阵风、渐变风和随机风的数学模型和基于空气动力学原理的风机数学模型，通过最佳叶尖速比获得目标转速ωw*；

5、s2、建立基于同步旋转坐标系dq下的永磁同步发电机(pmsg)定子电压方程；

6、s3、以超扭曲滑模面为自适应律，设计模型参考自适应观测器(mras)，通过模型参考自适应观测器估算出永磁同步发电机的电角速度和转子位置

7、s4、基于模型参考自适应观测器的观测结果来设计改进趋近律的积分滑模控制器，利用李雅普诺夫(lyapunov)稳定判据证明其稳定性。

8、进一步地，步骤s1中，基本风速是作用于叶轮上的一个平均风速，不随时间而变化，因而用常数表示：

9、vb＝n                            (1)

10、其中，vb为阵风风速，n为常数；

11、用阵风描述风速突然变化的特性，阵风数学模型方程为：

12、

13、其中，vg为阵风风速，vgmax为阵风风速最大值，tg1为阵风开始时间，tg为阵风周期；

14、渐变风用来描述风速缓慢变化的特性，渐变风数学模型方程为：

15、

16、其中，vr为渐变风风速，vrmax为渐变风风速最大值，tr1为渐变风开始时间，tr2为渐变风结束时间，tr3为渐变风持续时间；

17、随机风速用来描述风电场叶轮高度处风速的随机性，随机风速数学模型方程为：

18、

19、其中，vd为随机风风速，vdmax为随机风风速最大值，ra为-1到1之间的随机数，ωd为风速波动的平均距离，为0到2π的随机量；

20、由空气动力学理论可知，风机桨叶吸收的风能转变为风机输出功率，风机输出功率方程为：

21、pw＝0.5sρvwcp(β,λ)                 (5)

22、其中，s为桨叶扫风面积，ρ为空气密度，vw为风速，ωw为风机转子转速，r为风机转子半径，β为桨叶的桨角距，λ＝ωwr/vw为叶尖速比，cp为风能利用系数；

23、风力机的机械输出转矩方程为：

24、

25、当β固定时，在不同的风速和风机转速下，存在一个最佳叶尖速比λo，使得风能利用系数最大，由最佳叶尖速比可得目标转速为

26、进一步地，步骤s2中，根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下的永磁同步发电机定子电压方程为：

27、

28、其中，ωe为电角速度，rs为定子电阻，ψf为永磁体的磁链，ld、lq为定子电感在dq轴分量，isd、isq为定子电流在dq轴分量，usd、usq为定子电压在dq轴分量；

29、以表贴式永磁同步发电机为研究对象，对式(7)改写为：

30、

31、其中，ls＝ld＝lq为定子电感。

32、进一步地，步骤s3中，通过传感器采样永磁同步发电机输出的三相电流iabc和三相电压uabc，通过park变换得到两相旋转坐标系下的电流isd、isq和电压usd、usq；将isd、isq和usd、usq作为模型参考自适应观测器的输入，将pmsg的数学模型作为参考模型如式(9)，

33、

34、其中，i′sq＝isq，u′sq＝usq；

35、根据式(9)构建出可调模型为：

36、

37、其中，为电角速度估计值，为定子电流在dq轴分量的估计值；

38、使用非线性光滑函数取代符号函数sign(x)对超扭曲滑模进行改进，改进后的超扭曲滑模表达式为：

39、

40、其中，n1和n2为大于零的常数；

41、根据参考模型和可调模型输出的误差的基础上构建超扭曲滑模的滑模面：

42、

43、对式(12)求导得：

44、

45、当系统到达滑模面时参考模型与可调模型间的误差会收敛到零，估计电流收敛于参考电流时，估计电角速度收敛于实际电角速度，即：

46、结合式(11)和式(13)，基于超扭曲算法的pmsg转速自适应律可表示为：

47、

48、故转速估计值p为极对数。

49、进一步地，步骤s4中，通过模型参考自适应观测器得到pmsg的转速估计值与目标转速ωw*做差得到转速误差x1；

50、引入积分滑模，设计积分滑模面为：

51、

52、其中，c0、c1、c2为大于零的滑模系数；

53、对式(15)求导得：

54、

55、指数趋近律为：

56、

57、其中，-εsign(s)为等速趋近项，ε为等速趋近系数，-ks为指数趋近项，k为指数趋近系数，且ε＞0，k＞0；

58、传统的指数趋近律中含有符号函数sign(x)，在零点处不连续，使得系统存在严重的抖振现象，用非线性光滑函数取代sign(x)，同时引入速度调节函数定义改进型指数趋近律的滑模控制的趋近律为：

59、

60、选取李雅普诺夫稳定性来对系统进行稳定性分析，系统达到稳定需要满足：

61、

62、将式(18)带入式(19)得：

63、

64、式中第一项和第二项-ks2均小于等于零，满足系统是渐近稳定的，设计的积分滑模控制器能在有限时间内收敛到滑模面。

65、本发明的有益效果是：

66、本发明提供一种基于改进型指数趋近律的积分滑模控制的风力发电最大功率跟踪控制方法，有效地解决了传统模型参考自适应观测器的鲁棒性弱、准确度低等问题，用超扭曲滑模控制替代参考自适应观测器结构中的pi自适应律，对超扭曲滑模进行趋近律的改进，有效的抑制高频抖振，提高了对电机转速信息的估算精度。通过改进型指数趋近律的积分滑模控制器来控制发电机的转矩，加快了系统响应速度，使发电机转速精确快速的跟踪目标转速，实现了风力发电系统的最大功率跟踪控制。

67、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。