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U max的下界且为常数；
[0039] 步骤6、计算控制器参娄
式中rn=umax/amax，a maxS控制参数的最大值， ε为实际风轮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；
[0040] 步骤7、计算得到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。
[0041 ] 实施例
[0042]基于MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型进行控制器的仿真验证，其中风力机气动结 构部分采用美国国家能源部可再生能源实验室（NREL)开发的FAST(Fatigue， Aerodynamics，Structures ,and Turbulence)软件建立，该软件目前被很多学者用于风力 机控制仿真验证。风力机模型采用NERL开发的600kW CART3试验机型，具体参数如表1所示。 「00431 丟1 CARUra, 士ΜΦ恶参:救
[0045] 仿真中的参数取值为amax = 0.5、UQ = 0.01。
[0046]首先，使用TurbSim(美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)提供的开源的湍流 风模拟软件），并基于Kaimal功率谱生成600s湍流风速序列，平均风速为6m/s，并且符合 IEC-61400-1标准A类湍流级别，所构建的湍流风速序列如图2所示。
[0047]使用FAST在所构造的湍流风下对风力机进行仿真，获取风力机运行参数，所述风 力机运行参数具体包括发电机转子转速Wg和发电机电磁转矩Tg，将运行参数输入到如图1 所示的MATLAB/S頂ULINK搭建的控制器进行风机转矩控制。
[0048] 针对所构造的湍流风速，分别应用传统最优转矩法(OT)、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进行对比。根据 所选的风速序列，从转速跟踪效果、发电机电磁转矩和低速轴转矩三个方面对比上述四种 控制器的控制效果。
[0049] 使用卡尔曼滤波和牛顿-拉夫逊的方法，可以更好的估计出风力机运行过程的估 计风速，如图3所示。
[0050] 不同控制方法的转速的跟踪效果如4图所示，从(a)图中可以看出，本文提出的控 制策略相较于最优转矩法具有更高的转速跟踪响应速度。特别是在风速变化较大(例如阵 风）的情况下，本文提出的方法能够使风轮转速更好地完成转速跟踪。（b)图对比本文提出 的方法和两种非线性状态反馈控制器所获得的转速跟踪效果。从该图可以看出，三种方法 都具有较好的转速跟踪效果。与本文提出的方法相比，两种非线性反馈控制器具有更好的 动态性能，但在一些情况下会出现超调的现象。
[0051] 图5展示的是几种控制算法获得的发电机电磁转矩。为使转矩信号比较平滑，在仿 真过程中已经对参考转矩信号进行了滤波。从(a)图中可以看出，本文提出的控制策略所得 到的发电机电磁转矩波动不是很剧烈，但与最优转矩法获得的发电机电磁转矩相比还是存 在一定的差距。这主要是由于基于误差反馈的控制策略在保证良好转速跟踪效果的同时， 必然会使转矩波动有所增加。（b)图中展示的是本文提出的方法和两种非线性状态反馈控 制器所获得的发电机电磁转矩。从该图可以看出，本文提出的方法获得的发电机电磁转矩 更为平滑，而两种非线性状态反馈控制器的发电机电磁转矩波动更为剧烈。
[0052]图6展示了采用本文提出的方法对风力机进行控制所获得的传动轴低速轴转矩。 与发电机电磁转矩相比，低速轴转矩叠加了大量的高频分量，这主要是由于风轮所获得的 气动转矩随风速大小不断变化，进而造成低速轴转矩的波动。
[0053]以2KN · m为单位对不同大小的应变幅值进行统计，得到四种方法落在不同区间内 的载荷频次，如图7所示。从结果中可以看出，采用最优转矩法得到的交变载荷幅值要明显 小于其他几种方法。而另外三种方法对比可以发现，虽然三种方法都可以有效提高风力机 的转速跟踪效果，但本文提出的控制策略相较其他两种方法交变载荷的幅值更小。
[0054]前面对四种控制策略的控制效果进行了定性对比。采用风能捕获效率和载荷幅值 大小的平均值作为评价指标进行定量对比，如见表2所示。风能捕获效率定义如下： 123456 J.0
￥ .W 2 其中 3
[0057]
4 Pe(t)为实际发电功率，P〇pt(t)为最佳发电功率，v(t)为实际风速。 5 从表2可以很清晰的看出，本文提出的方法以及两种非线性状态反馈控制器都可 以有效提尚风力机的风能捕获效率，并且本发明提出的方法$父其他两种具有更小的交变载 荷幅值。 6 表2控制效果及载荷对比
[0062]显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本 发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以 做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属 于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 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，其特征在于，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；式中m = umax/amax，amax为控制参数的最大值，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；，式中Tr为风力机估计气动转矩，C t为 系统阻尼系数，《r为风轮实际转速，a(e)为控制器参数，Jt为风机转动惯量，传动比n g。2. 根据权利要求1所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在 于，，式中λ。#是最佳叶尖速比、Vr为估计风速、R为风轮半径。3. 根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在 于，通过发电机的电磁转矩Tg、发电机的转子转速ω 8,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。4. 根据权利要求2所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在 于，风轮实际转速与风轮最优转速的误差ε= wr-ω〇ρ1;，式中ω〇ρ1;为风轮最优转速、cor为风 轮实际转速。5. 根据权利要求1所述实现风力机MPPT控制的变参数非线性反馈控制方法，其特征在 于，根据传动轴转矩约束计算等效控制输入参数的最大值u max，具体方法为： 步骤A、计算风轮低速轴气动转矩式中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； 步骤B、计算风机低速轴最优气动转矩Tls.optiTr-CrCO。^，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； 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SiTls-Tls.opt，式中Tis 为风轮低速轴气动转矩，Tls. opt为风轮低速轴最优气动转矩； 步骤D、由此可得等效控制输入参数的最大值为：式中Tr为风力机估计气动转矩，ω r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，U0为umax的下界且为常数。
【专利摘要】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。
【IPC分类】F03D7/00
【公开号】CN105673322
【申请号】CN201610059126
【发明人】殷明慧, 路英伟, 陈载宇, 徐洋超, 周连俊, 卜京, 谢云云, 蔡晨晓, 姚娟, 邹云
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月28日