实现风力机mppt控制的变参数非线性反馈控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于风力机控制领域，特别是实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控 制方法。
【背景技术】
[0002] 风力发电技术近年来受到越来越多的关注，变速风力机与定速风力机相比，具有 更高的发电效率和更低的结构载荷。风力机最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT)控制旨在控制风轮转速跟踪由实时风速所决定的最佳转速，进而获得更多 的风能。风力机MPPT控制具有多种实现方法，其中叶尖速比法通过直接控制风轮转速到理 想转速，具有更好的转速跟踪效果，达到更多的风能捕获。
[0003] 当前研究发现，基于叶尖速比法的非线性状态控制器具有良好的转速跟踪效果， 但是其控制量的计算过程中使用了目标转速的一阶导数和二阶导数，实际中这些量是不可 预知且不连续的，不仅难以准确测量或估计，而且会造成控制量的大小随目标转速的变化 而大幅波动，因此对滤波较为依赖。另外较好的跟踪效果会使得发电机电磁转矩波动剧烈， 产生较大的结构载荷和交变载荷，影响风力机的寿命。
[0004] 基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力机最大功率点跟踪控制方法，能够在 提高转速跟踪效率的同时尽可能降低结构载荷，但是现有技术中尚无相关描述。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动 转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，有效限 制了发电机的电磁转矩波动，同时在调节控制参数的过程中避免了不可预知的目标转速的 一阶导数和二阶导数。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种实现风力机MPPT控制的变参数非线性 反馈控制方法，该方法利用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风 轮实际转速、风力机估计气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过在线调节控制 器参数获取发电机电磁转矩参考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩 作为发电机的输出来控制风轮实际转速，其中，控制器参数
amax，amaxS控制参数的最大值，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，Umax为等效控制输 入参数的最大值；
[0007] 发电机的电磁转矩参考值
式中Tr为风力机估计气动转 矩，Ct为系统阻尼系数，cor为风轮实际转速，a(e)为控制器参数，J t为风机转动惯量，传动比 ng〇
[0008] 进一步的优选方案，本发明中风轮最优转31
ζ中Acipt是最佳叶尖速 比、Vr为估计风速、R为风轮半径。
[0009] 进一步的优选方案，本发明中通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ω8,使 用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机估计气动转矩Tr以及估计风速Vr。
[0010] 进一步的优选方案，本发明中风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε= COr-COcipt, 式中ω _为风轮最优转速、cor为风轮实际转速。
[0011]进一步的优选方案，本发明中根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大 值Umax，具体方法为：
[0012] 步骤A、计算风机低速轴转知 式中Tr为风力 机估计气动转矩，Tg为发电机电磁转矩，COr为风轮实际转速，Jt为风机转动惯量，J r为风机 风轮转动惯量，Jg为发电机转动惯量，ng传动比，Cr为风轮系统阻尼系数，Cg为发电机系统阻 尼系数；
[0013]步骤B、计算最优的风机低速轴气动转矩Tls. Cipt = Tr-Cr COcipt，式中Tr为风力机估计 气动转矩，ω opt为风轮最优转速，Cr为风轮系统阻尼系数；
[0014] 步骤C、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差S = Tis-Tis. Cipt，式 中Tis为风轮低速轴气动转矩，Tis. Cipt为风轮低速轴最优气动转矩；
[0015] 步骤D、由此可得等效控制输入参数的最大值为：
[0016]
[0017] 式中Tr为风力机估计气动转矩，COr为风轮实际转速，Tls为风机低速轴气动转矩，Cr 为风轮系统阻尼系数，Jr为风机风轮转动惯量，ε为风轮实际转速与风轮最优转速的误差，S 为风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差，UO为Umax的下界且为常数。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明基于非线性状态反馈控制器， 通过风力机的实时运行状态(风轮实际转速、气动转矩、电机转矩、估计风速)在线调节控制 参数，在保证风力机转速跟踪效率的同时，较好地限制了发电机的电磁转矩波动，并以此降 低了传动轴上的交变载荷。
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的控制系统框图。
[0021]图2为本发明的仿真的湍流风速序列图。
[0022]图3为本发明的利用风速估计给出的估计风速图。
[0023]图4为不同MPPT方法在风速时段内的转速跟踪对比图，其中（a)为传统最优转矩法 (OT)与本发明所提出的方法转速跟踪对比图；（b)非线性静态状态反馈控制器(NSSFC)、非 线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本发明所提出的方法的转速跟踪对比图。
[0024]图5为不同MPPT方法在风速时段内的发电机电磁转矩对比图，其中（a)为传统最优 转矩法(OT)与本发明所提出的方法发电机电磁转矩对比图；（b)非线性静态状态反馈控制 器(NSSFC)、非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)和本发明所提出的方法的发电机电磁转矩 对比图。
[0025]图6为本发明的方法获得的风力机传动轴低速端载荷图。
[0026] 图7为本发明的方法与传统最优转矩法(0T)、非线性静态状态反馈控制器(NSSFC) 和非线性动态状态反馈控制器(NDSFC)获得的风力机传动轴低速端交变载荷幅值频次对比 图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，该方法利 用控制器、发电机和风力机组成的非线性反馈控制系统实现，以风轮实际转速、风力机估计 气动转矩和风轮最优转速作为控制器的输入，通过调节控制器参数获取发电机电磁转矩参 考值作为控制器的输出即发电机的输入，以发电机电磁转矩作为发电机的输出即为风力机 的输入，考虑实际风速V也作为风力机的另一输入来控制风轮实际转速，具体包括以下步 骤：
[0028]步骤1、获取风力机参数、环境参数和运行参数;风力机参数包括风轮半径R、最佳 叶尖速比Xopt、最大风能利用系数Cpmax、风机转动惯Mjt、系统阻尼系数Ct、传动比rig，环境参 数为空气密度P，运行参数包括发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ω 8、风轮实际转速 ω r ;
[0029] 步骤2、通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ω g，使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，获取风力机的估计气动转矩Tr以及估计风速Vr;
[0030] 步骤3、计算出风轮最优转式中λ。#是最佳叶尖速比、Vr为估计风 速、R为风轮半径；
[0031] 步骤4、计算实际风轮转速与风轮最优转速的误差ε= COr-COcipt，式中COcipt为风轮 最优转速、为风轮实际转速；
[0032] 步骤5、根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值umax，具体方法包括 以下步骤：
[0033] 步骤5-1、计算风机低速轴转矩 ?中Tr为风 力机估计气动转矩，Tg为发电机电磁转矩，c〇r为风轮实际转速，Jt为风机转动惯量，J r为风 机风轮转动惯量，Jg为发电机转动惯量，ng传动比，Cr为风轮系统阻尼系数，Cg为发电机系统 阻尼系数；
[0034] 步骤5-2、计算最优的风机低速轴气动转矩Tls.Cipt = Tr-Cr ω_，式中Tr为风力机估 计气动转矩，ω ￥为风轮最优转速，Cr为风轮系统阻尼系数；
[0035] 步骤5-3、定义风机低速轴的实际气动转矩与最优气动转矩的误差S = Tis-Tis.。叶， 式中Tis为风轮低速轴气动转矩，Tis. opt为风轮低速轴最优气动转矩；
[0036] 步骤5-4、由此可得等效控制输入参数的最大值为：
[0037]
[0038] 式中Tr为估计气动转矩，COr为风轮实际转速，Tls为风机低速轴气动转矩，Cr为风轮 系统阻尼系数，Jr为风机风轮转动惯量，ε为实际风轮转速