受擾風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾最優(yōu)功率跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種受擾風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾最優(yōu)功率跟蹤控制方法，特別是一 種基于風(fēng)機(jī)受擾特性以及風(fēng)能捕獲原理的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲研究，屬于風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠性、成本、發(fā)電效率和 發(fā)電質(zhì)量等提出了更高的要求。眾所周知風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制直接影響著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在穩(wěn)定性和可靠性上有更大優(yōu)勢(shì)，因而得到廣泛的應(yīng)用。
[0003] 然而風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多都是長(zhǎng)期在惡劣和復(fù)雜的環(huán)境中工作，外界的干擾因素較 多。風(fēng)能是一種不可控的過程性能源，具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性等特征。風(fēng)向和風(fēng)速 是時(shí)刻變化的，且風(fēng)速的不斷變化也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的大范圍變化，從而造成系統(tǒng)參數(shù) 大范圍的變化，不同工況間切換容易使控制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)變差，難以較好滿足機(jī)組的動(dòng)態(tài) 性能。而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)本身是一個(gè)高階非線性、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，且參數(shù)并 不完全精確可知，這些特征給風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制上帶來了新的挑戰(zhàn)和困難。
[0004] 傳統(tǒng)的反饋控制方法常常無法及時(shí)快速地對(duì)干擾進(jìn)行抑制。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中， 干擾往往不可測(cè)、很難測(cè)或可測(cè)但檢測(cè)儀表價(jià)格昂貴，這些因素限制了直接前饋控制的應(yīng) 用。主動(dòng)抗干擾控制技術(shù)能夠根據(jù)干擾的量測(cè)值或者估計(jì)值在控制設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)中存在 的干擾進(jìn)行直接補(bǔ)償或抵消，能夠更快地處理干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。而且這種主動(dòng)抗干擾 技術(shù)不必改變正在應(yīng)用或已經(jīng)應(yīng)用多年的反饋控制設(shè)計(jì)部分，不必設(shè)計(jì)全新的、不同的控 制策略，從而省去了新控制系統(tǒng)的方案論證及驗(yàn)證過程。其中基于干擾觀測(cè)器的控制和 我國(guó)學(xué)者韓京清研究員于上世紀(jì)90年代提出的基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended State Observer，ES0)的控制方法在工程應(yīng)用研究中最為廣泛。ESO將系統(tǒng)的模型攝動(dòng)和外部干 擾一起作為集總干擾進(jìn)行估計(jì)，通過非線性反饋形成控制量進(jìn)行補(bǔ)償和控制。由于其不依 賴精確的被控對(duì)象和干擾的數(shù)學(xué)模型，算法簡(jiǎn)單，在未知強(qiáng)非線性和不確定強(qiáng)干擾作用下 仍能保證控制精度，顯示出良好的工程應(yīng)用前景。
[0005] 近年來人們陸續(xù)提出了很多有效的干擾估計(jì)技術(shù)來處理風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中遇到 的干擾。文南犬（J〇〇 Y J, Back J H. Power regulation of variable speed wind turbines using pitch control based on disturbance observer. Journal of Electrical Engineering and Technology, 7(2) :273-280, 2012.)在變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中， 采用變槳距控制和干擾觀測(cè)器結(jié)合的控制方法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。文 獻(xiàn)(Coral-Enriquez H，Cortes-Romero Jj Ramos G A. Robust active disturbance rejection control approach to maximize energy capture in variable-speed wind turbines. Mathematical Problems in Engineering，396740, 1-12, 2013.)針對(duì)變風(fēng)速 風(fēng)力發(fā)電機(jī)提出一種魯棒主動(dòng)干擾抑制方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的速度軌跡最優(yōu)。文獻(xiàn)（周 明明，李世華.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的復(fù)合控制.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版），42(1) :55-61,2012.)針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于終端滑模 和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子電流復(fù)合控制方法，使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)和干擾具有更強(qiáng)的魯棒 性，同時(shí)減小了滑模的抖動(dòng)。文獻(xiàn)（Song Z F, Shi T N, Xia C L, Chen W. A novel adaptive control scheme for dynamic performance improvement of DFIG-Based wind turbines. Energy, 38(1) :104-117, 2012.)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自適應(yīng)電流 控制器，使系統(tǒng)在電網(wǎng)干擾、系統(tǒng)交叉耦合和參數(shù)不確定的情況下能高效地跟蹤速度設(shè)定 值。以上方法在參數(shù)大范圍變化以及強(qiáng)外部干擾的情況下，干擾觀測(cè)器估計(jì)干擾的壓力會(huì) 很大，影響觀測(cè)精度，而且前饋和反饋的簡(jiǎn)單復(fù)合，會(huì)引起總控制量飽和，系統(tǒng)存在如何協(xié) 調(diào)兩種不同控制作用的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)上述永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中存在的強(qiáng)干擾和不確定性等問題，提 供一種受擾風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾最優(yōu)功率跟蹤控制方法，通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)根據(jù)工況確 定系統(tǒng)風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出最佳功率函數(shù)關(guān)系；對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行在線自適應(yīng)修正 來減輕ESO觀測(cè)的壓力，提高參數(shù)變化情況下擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)精度，提高控制算法 對(duì)工況變化的自適應(yīng)性；協(xié)調(diào)或者兼顧反饋調(diào)節(jié)和前饋補(bǔ)償這兩種不同的控制作用，找到 最優(yōu)的主動(dòng)抗干擾優(yōu)化控制方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種受擾風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾最 優(yōu)功率跟蹤控制方法，其特征在于，所述方法是，采用系統(tǒng)辨識(shí)以及自適應(yīng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 和模型預(yù)測(cè)優(yōu)化控制的復(fù)合跟蹤控制方法，即將根據(jù)測(cè)得的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn) 速和測(cè)得的電流信息辨識(shí)出部分模型信息以及自適應(yīng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)的干擾值引入 到預(yù)測(cè)模型中，得到包含干擾信息和不確定性的復(fù)合預(yù)測(cè)模型，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的預(yù)測(cè) 模型更加理想精確，有利于模型預(yù)測(cè)優(yōu)化控制發(fā)揮其閉環(huán)調(diào)節(jié)能力，使得閉環(huán)系統(tǒng)在抑制 風(fēng)力發(fā)電機(jī)外部干擾的同時(shí)能夠取得優(yōu)化的高性能功率跟蹤結(jié)果。
[0008] 所述復(fù)合跟蹤控制方法的步驟如下：
[0009] 1)首先針對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化的規(guī)律， 通過推算風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能與風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)最優(yōu)功率情況下系統(tǒng)運(yùn)行模式， 進(jìn)而通過調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其運(yùn)行在最佳葉尖速比下，即可獲得最大功率利用系 數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)功率輸出，Pni= (1/2λ 3) p JiR5CpCO3, λ = 2JiRn/v= coR/v，其中p為 空氣密度；R為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子半徑；v為風(fēng)速；β為槳距角；λ為葉尖速比；
[0010] 2)所述自適應(yīng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是針對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中系統(tǒng)參 數(shù)和干擾不斷變化會(huì)影響擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO的估計(jì)精度和估計(jì)負(fù)擔(dān)的情況，通過模型辨 識(shí)的方法估計(jì)出部分模型信息補(bǔ)償?shù)紼SO中去，可以使ESO在線自適應(yīng)調(diào)整，不但可以減輕 ESO估計(jì)負(fù)擔(dān)，而且可以提高估計(jì)精度；
[0011] 3)所述復(fù)合抗干擾最優(yōu)功率跟蹤控制最后利用模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)勢(shì)，將自適應(yīng) 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)的干擾值和系統(tǒng)辨識(shí)得到的參數(shù)，引入到預(yù)測(cè)模型中得到復(fù)合預(yù)測(cè)模 型，這樣模型預(yù)測(cè)輸出就能在有干擾和不確定性的情況下更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)永磁同步風(fēng)力發(fā) 電機(jī)系統(tǒng)的輸出變化，使得閉環(huán)系統(tǒng)在抑制外部干擾同時(shí)能夠取得優(yōu)化的結(jié)果；同時(shí)，干擾 估計(jì)值被有機(jī)地納入到系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型中，而不是和模型預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)單復(fù)合，這樣不會(huì)破 壞滾動(dòng)優(yōu)化時(shí)對(duì)變量約束的處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾前提下的變量約束處理。
[0012] 根據(jù)λ = 2 π Rn/v = c〇R/v，調(diào)節(jié)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω使轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)速V 的變化，使永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作于最佳葉尖速比條件下，從而達(dá)到最優(yōu)功率。
[0013] 所述永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略采用矢量控制。
[0014] 所述永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和測(cè)得的電流信息辨識(shí)出實(shí)