一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法

1.本发明属于大型风力发电机组变桨距控制领域，特别涉及一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法。


背景技术：

2.目前大型风电机组大多采用变桨距控制方式。变桨距风电机组具有在风速超过额定值时通过变桨控制稳定机组输出功率、在机组启动时通过变桨调节使机组获得最大的启动力矩以及通过变桨调节将叶片顺桨到90
°
使机组具有气动刹车功能等优势。
3.然而风电机组在运行过程中受到多种不确定因素的影响，包括：风速、风向的随机变化，风轮在旋转过程中叶片自身重力在变桨方向分力的变化，同一机组不同叶片自身质量分布的不同，以及机组变桨距执行机构参数的差异等。这些因素将导致机组每个叶片的变桨距系统传递函数存在差异，且由于外界干扰导致的不确定性和风电机组运行工况的复杂性，使得风电机组的变桨距系统难以精确建模和控制。
4.中国专利申请cn201711291715.7将滑模控制和神经网络方法引入到变桨系统反馈线性化控制中，用于提升变桨距控制系统的鲁棒性、稳定性，但是控制算法复杂、参数整定难度大。
5.文章《基于反馈线性化的风轮机变桨距控制研究》(2011年)采用状态反馈线性化方法对风轮机模型进行精确反馈线性化处理，得出其全局线性化模型，并用线性二次型最优控制进行桨距角控制。文章《变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制》(2012年)，建立了风力机的仿射非线性模型，采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化，根据新的线性化模型，设计桨距角控制器。以上文献所采用的方法一定程度上改进了模型，提高了变桨控制性能和鲁棒性，但是对外界干扰和内部不确定因素影响的抑制能力仍然不足。


技术实现要素：

6.针对大型风电机组变桨距系统难以精确建模以及运行工况复杂且受到诸多不确定因素影响等问题，本发明提供一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，利用扩张状态观测器实时估计出变桨距系统的外界干扰和内部不确定因素的影响，并在系统的输入控制量中进行相应的补偿，将变桨距系统近似等效为线性系统，再采用误差反馈控制方法设计该线性系统的控制律，从而改善风电机组变桨距系统的动态响应特性，提高变桨距执行机构对风电机组主控系统桨距角指令的跟踪能力。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，所述变桨距执行机构包括变桨电机、变桨电机驱动器、变桨执行机构控制器、编码器；变桨执行机构控制器根据风电机组主控系统的桨距角β
*
，结合变桨电机转子实际机械角度θ，采用动态反馈线性化方法计算出变桨电机的电磁转矩给定量并发送给变桨电机驱动器，由变桨电机驱动
器控制变桨电机工作，实现风电机组的变桨距控制。
9.进一步地，将变桨距系统的动力学方程中的项视为一个整体，并采用扩张状态观测器对其进行实时观测，得到观测值z，同时由扩张状态观测器得出桨距角β的变化速率dβ/dt，其中j
p
为叶片转动惯量，te为变桨电机电磁转矩，nk为变速箱变比，ta为叶片所受的气动力和重力在变桨方向的分力，k
l
为变桨距系统的阻尼系数，η为其他不确定因素的作用力。
10.进一步地，采用跟踪微分器计算出风电机组主控系统的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt。
11.进一步地，在变桨电机的电磁转矩给定中补偿由扩张状态观测器实时观测的变桨距系统动力学方程中项的观测值z，即令得到变桨距系统动力学方程的近似线性方程
12.进一步地，对所述变桨距系统动力学方程的近似线性方程结合扩张状态观测器得出的桨距角β的变化速率dβ/dt和跟踪微分器得出的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt，采用误差反馈法设计线性控制器，令u＝k
p
×
(β
*-β)+ki×
∫(β
*-β)dt+kd×
(dβ
*
/dt-dβ/dt)，其中k
p
、ki、kd分别为pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
13.进一步地，变桨电机的电磁转矩给定按如下表达式设计：并由变桨执行机构控制器发送给变桨电机驱动器，控制变桨电机运行。
14.进一步地，所述变桨电机是永磁同步电机或直流电机。
15.进一步地，所述线性控制器为pid控制器或pi控制器。本发明至少具有以下有益效果：
16.基于本发明所提出的动态反馈线性化方法实现的风电机组变桨距控制，在阶跃风速、渐进风速和随机风速等不同风速条件下均能够很好地控制风电机组的转速，对外界干扰和内部不确定因素的影响均具有较好的抑制能力，具有转速波动量小、抗干扰能力强、结构简单、参数整定容易和易于工程实现等优点。
附图说明
17.图1为风电机组变桨距执行机构结构示意图；
18.图2为风电机组变桨距执行机构动态反馈线性化控制原理图。
具体实施方式
19.以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
20.如图1所示，变桨距执行机构主要包括：变桨电机、变桨电机驱动器、变桨执行机构
控制器、编码器等。变桨执行机构控制器接收编码器测量的变桨电机转轴的角度信息θ，将其转换成实际的机组叶片的桨距角信息β＝θ/nk，nk为变速箱变比；同时将变桨电机的电磁转矩给定信号发送给变桨电机驱动器，由变桨电机驱动器控制变桨电机运行。
21.如图2所示，风电机组变桨距执行动态反馈线性化控制主要通过跟踪微分器、线性控制器、扩张状态观测器以及变桨电机驱动器、变桨电机等实现。其中扩张状态观测器用于对变桨距执行机构可能的外界扰动和内部不确定因素进行实时观测和补偿；跟踪微分器用于对机组主控系统给出的桨距角信号进行处理，并提取出桨距角的微分信号；线性控制器根据桨距角信号给定及其微分信号，并与由扩张状态观测器给出的桨距角实际信号及其微分信号进行适当的组合，对由扩张状态观测器补偿后的线性系统进行反馈控制。
22.本发明的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法具体实施步骤如下：
23.步骤1：将变桨距系统的动力学方程的项视为一个整体，并采用扩张状态观测器对其进行实时观测，同时由扩张状态观测器得出桨距角β的变化速率dβ/dt，其中j
p
为叶片转动惯量，te为变桨电机电磁转矩，nk为变速箱变比，ta为叶片所受的气动力和重力在变桨方向的分力，k
l
为变桨距系统的阻尼系数，η为其他不确定因素的作用力。
24.步骤2：在变桨电机的电磁转矩给定中，补偿如步骤1所述的由扩张状态观测器实时观测的变桨距系统动力学方程中项的观测值z，即令变桨电机的电磁转矩给定量得到变桨距系统动力学方程的近似线性方程
25.步骤3：采用跟踪微分器，计算出风电机组主控系统给出的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt；具体采用最速跟踪微分器，通过快速跟踪给定信号的方式，合理提取出信号的微分值，同时能够有效抑制信号中的噪声。
26.步骤4：对步骤2中的所述变桨距系统动力学方程的近似线性方程结合步骤1中的扩张状态观测器得出的桨距角β的变化速率dβ/dt，和步骤3中的跟踪微分器得出的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt，采用误差反馈法设计线性控制器(pid控制器或pi控制器等)，令u＝k
p
×
(β
*-β)+ki×
∫(β
*-β)dt+kd×
(dβ
*
/dt-dβ/dt)，其中k
p
、ki、kd分别为pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
27.步骤5：结合步骤2和步骤4得到变桨电机的电磁转矩给定的表达式并由变桨执行机构控制器发送给变桨电机驱动器，控制变桨电机运行，进行机组的变桨距控制。
28.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：所述变桨距执行机构包括变桨电机、变桨电机驱动器、变桨执行机构控制器、编码器；变桨执行机构控制器根据风电机组主控系统的桨距角β
*
，结合变桨电机转子实际机械角度θ，采用动态反馈线性化方法计算出变桨电机的电磁转矩给定量t
e*
，并发送给变桨电机驱动器，由变桨电机驱动器控制变桨电机工作，实现风电机组的变桨距控制。2.如权利要求1所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：将变桨距系统的动力学方程中的项视为一个整体，并采用扩张状态观测器对其进行实时观测，得到观测值z，同时由扩张状态观测器得出桨距角β的变化速率dβ/dt，其中j
p
为叶片转动惯量，t
e
为变桨电机电磁转矩，n
k
为变速箱变比，t
a
为叶片所受的气动力和重力在变桨方向的分力，k
l
为变桨距系统的阻尼系数，η为其他不确定因素的作用力。3.如权利要求2所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：采用跟踪微分器计算出风电机组主控系统的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt。4.如权利要求3所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：在变桨电机的电磁转矩给定中补偿由扩张状态观测器实时观测的变桨距系统动力学方程中项的观测值z，即令得到变桨距系统动力学方程的近似线性方程5.如权利要求4所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：对所述变桨距系统动力学方程的近似线性方程结合扩张状态观测器得出的桨距角β的变化速率dβ/dt和跟踪微分器得出的桨距角β
*
的微分信号dβ
*
/dt，采用误差反馈法设计线性控制器，令u＝k
p
×
(β
*-β)+k
i
×
∫(β
*-β)dt+k
d
×
(dβ
*
/dt-dβ/dt)，其中k
p
、k
i
、k
d
分别为pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数。6.如权利要求5所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：变桨电机的电磁转矩给定t
e*
按如下表达式设计：并由变桨执行机构控制器发送给变桨电机驱动器，控制变桨电机运行。7.如权利要求1所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：所述变桨电机是永磁同步电机或直流电机。8.如权利要求5所述的一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，其特征在于：所述线性控制器为pid控制器或pi控制器。

技术总结
本发明公开了一种大型风电机组变桨距执行机构的动态反馈线性化控制方法，属于风力发电机组控制技术领域。所述变桨距执行机构主要由变桨电机及其驱动器、变桨执行机构控制器、编码器等构成。其中编码器用于检测变桨电机转子的实际机械角度θ；变桨执行机构控制器根据风电机组主控系统的桨距角指令β


技术研发人员：胡书举 宋斌 孟岩峰 冯帅
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/5/18