變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制

1、第28卷 第25期 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 Vol.28 No.25 Sep. 5, 2008 130 2008年9月5日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. (2008) 25-0130-08 中圖分類號：TM 346 文獻標(biāo)志碼：A 學(xué)科分類號：47040 文章編號：0258-8013變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制耿華，楊耕(清華大學(xué)自動化系，北京市 海淀區(qū) 100084)Output Power Level Control of Variable-speed Variable-pitch Wind

2、GeneratorsGENG Hua, YANG Geng(Automation Department, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)ABSTRACT: A robust pitch controller for variable-speed variable-pitch wind generator systems (VSVP-WGS) is presented, in order to level the wind energy conversion based on the perturbati

3、on theory and inverse-system method. The robust pitch controller is composed of a nominal inverse-system controller and a robust compensator. With the nominal inverse-system controller, the nominal close loop system can be converted into a pseudo-linear one and then be simply stabilized by linear sy

4、stem approach. With the robust compensator, turbine parameters uncertainties and other nonparametric perturbations, such as the generator torque disturbances and noise, are tolerated. The performance of the robust pitch controller (RPC), which is confirmed through theory analyses and simulations, sh

5、ow that, it can robustly level the output power of the wind generator systems. Compared with other nonlinear controllers, RPC is simpler and can be more easily extended to other kinds of WGS.KEY WORDS: wind generation system; pitch control; nonaffine system control; inverse-system control; robust co

6、ntrol; output power leveling摘要：為實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制，該文基于奇異攝動理論和逆系統(tǒng)方法設(shè)計了一種非線性槳距角魯棒控制器。該控制器由逆系統(tǒng)標(biāo)稱部分和魯棒補償部分組成，逆系統(tǒng)標(biāo)稱控制器可以使非仿射型非線性標(biāo)稱風(fēng)機模型的輸入輸出動態(tài)跟蹤其參考模型動態(tài)；魯棒補償輸入可以消除參數(shù)不確定性、風(fēng)速檢測誤差和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩擾動對系統(tǒng)輸出功率的影響。理論分析和仿真實驗證明了該控制器的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，該控制器可以在風(fēng)速波動時有效控制風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率水平，并且對參數(shù)化和非參數(shù)化擾動具有較強的魯棒性。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；槳距角控制；非仿射型系統(tǒng)控制；逆系統(tǒng)控制；魯棒控制；功率

7、水平控制基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(60674096)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60674096)0 引言由于控制靈活、承受機械應(yīng)力小等優(yōu)點，變速變槳距風(fēng)機成為風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一1。然而，風(fēng)機槳葉強非線性的空氣動力學(xué)特性、系統(tǒng)參數(shù)的不確定性給此類系統(tǒng)的控制帶來了困難2-4。同時，風(fēng)是一種隨機性能源，風(fēng)速脈動往往引起風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率脈動。隨著電網(wǎng)中風(fēng)電容量的增加，輸出功率的脈動將會影響電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性5。此時，控制風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率水平顯得尤為必要。目前，國內(nèi)外對風(fēng)電系統(tǒng)功率

8、水平控制的研究較少，多集中在高風(fēng)速區(qū)，通過槳距角調(diào)節(jié)實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的恒功率輸出，保證系統(tǒng)的安全運行6。槳距角控制是調(diào)節(jié)風(fēng)機輸出功率水平的有效手段，它通過對空氣動力載荷的直接控制調(diào)節(jié)風(fēng)機的輸出功率。由于風(fēng)機模型的強非線性，為降低控制難度，大多數(shù)槳距角控制器都基于風(fēng)機的線性化模型而設(shè)計。文獻7采用極點配置的方法設(shè)計了比例積分微分(proportional-integral-differential，PID) 槳距角控制器，然而，當(dāng)風(fēng)機運行點偏離其線性化點時，該控制器的性能嚴(yán)重降低，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定8。為解決上述問題，文獻9-11設(shè)計了變增益的控制器，隨著風(fēng)機運行點的變化不斷改變控制器增益，該方

9、法需已知風(fēng)機槳葉迎風(fēng)面的風(fēng)速，而風(fēng)速測量儀一般位于風(fēng)機的逆風(fēng)區(qū)，由于塔影效應(yīng)和尾流效應(yīng)的影響，測得的風(fēng)速與風(fēng)機槳葉迎風(fēng)面的風(fēng)速有一定差別，增加了該方法的應(yīng)用難度12-13。文獻14提出了H 控制器，仿真結(jié)果說明其適用于線性化風(fēng)機模型，其性能并未在非線性模型上得到驗證。文獻12-13,15-16 將擾動調(diào)節(jié)控制理論引入到槳距角控制中，通過擾動觀測器估算風(fēng)速的變化，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化量改變槳距角。然而，第25期 耿華等： 變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制 131當(dāng)風(fēng)機運行點偏離其線性化點時，擾動觀測器會產(chǎn)生較大觀測誤差，降低控制器性能。文獻8基于線性化風(fēng)機模型設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器并在實際非線

10、性模型上得到了驗證，然而該方法實現(xiàn)難度較大。直接基于非線性風(fēng)機模型設(shè)計槳距角控制器的研究很少。文獻17-18用高次多項式和超越方程模擬風(fēng)機的非線性動力學(xué)特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了非線性控制器。然而不同風(fēng)機的空氣動力學(xué)特性都不一樣，一般由風(fēng)機廠家根據(jù)風(fēng)洞實驗結(jié)果提供，因此上述控制器不具有普適性。文獻19根據(jù)一系列仿真結(jié)果，基于非線性風(fēng)機模型設(shè)計了一種PID控制器，對于不同風(fēng)機，該方法需要重復(fù)大量的仿真以得到最優(yōu)的PID參數(shù)，復(fù)雜度和執(zhí)行代價較大。本文基于實際非線性風(fēng)機模型設(shè)計了一種槳距角魯棒控制器?？刂破饔赡嫦到y(tǒng)標(biāo)稱部分和魯棒補償部分組成，逆系統(tǒng)標(biāo)稱控制器可以使非仿射型非線性標(biāo)稱風(fēng)機模型的輸入輸出

11、動態(tài)跟蹤其參考模型動態(tài)；魯棒補償輸入可以消除參數(shù)不確定性、風(fēng)速檢測誤差和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩擾動對系統(tǒng)輸出的影響。理論分析和仿真結(jié)果表明，該魯棒控制器對參數(shù)化和非參數(shù)化擾動具有較強的魯棒性；擾動較大時，它通過槳距角調(diào)節(jié)器的頻繁動作來維持風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平，加劇了調(diào)節(jié)器的機械疲勞。因此，對擾動的魯棒性能與槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的疲勞程度是一對矛盾，可以根據(jù)用戶的要求，在線調(diào)節(jié)控制器中的魯棒補償系數(shù)實現(xiàn)上述矛盾的平衡。1 系統(tǒng)描述由文獻19可知，風(fēng)機軸上的機械轉(zhuǎn)矩為 Tt=KCq (1) 式中：Tt為風(fēng)機軸上的機械轉(zhuǎn)矩；K=R3v2/2；Cq=f(,)為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；R為風(fēng)輪半徑；為空氣密度；v為風(fēng)速；=mR/v為葉尖

12、速比；為風(fēng)機的槳矩角； m為風(fēng)輪機械角速度。轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cq是葉尖速比和槳矩角的非線性函數(shù)，其典型關(guān)系如圖1所示。典型的變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)構(gòu)成：風(fēng)力發(fā)電機和變流器的電氣子系統(tǒng)、槳距角調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)和風(fēng)機機械子系統(tǒng)，如圖2所示，通常，上述子系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同：1）電氣子系統(tǒng)，響應(yīng)速度為ms級；2）槳距角調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)，響應(yīng)速度為s級；3）風(fēng)機機械子系統(tǒng)，響應(yīng)速度為min甚至h級。0.80.4 qC00.41020 00.51.51.0/rad圖1 轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線圖2 典型的變速變槳距風(fēng)機結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Typical VSVP-WGS根據(jù)奇異攝動系統(tǒng)理論，當(dāng)各子系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度相差較大時

13、，在研究“慢”子系統(tǒng)動態(tài)時，可以忽略“快”子系統(tǒng)的動態(tài)影響，認(rèn)為其響應(yīng)瞬間完成，其值始終處于“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”20。因此，系統(tǒng)建模忽略電氣系統(tǒng)和槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)，其影響以等效轉(zhuǎn)矩擾動加入到風(fēng)機模型中。忽略風(fēng)力機的剛性系數(shù)、阻尼系數(shù)、齒輪箱的慣性、風(fēng)力發(fā)電機的定子銅耗、鐵耗和摩擦損耗，并選擇發(fā)電機的輸出有功功率為狀態(tài)變量，風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為 P󰀅e=Te(TtTe)/J+T󰀅em/Te (2) 式中：Pe為發(fā)電機的輸出有功功率；Te=KgTe為等效風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)矩；Kg為齒輪箱變比；Te為風(fēng)力發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；J=K2gJg+Jt為等效風(fēng)機慣性；Jg為風(fēng)力發(fā)電機慣性；

14、Jt為風(fēng)機慣性。令J0、Cq0、R0、0、Kg0分別為J、Cq、R、Kg的標(biāo)稱值；Te0為Te的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”標(biāo)稱值；v0為風(fēng)速測量值；m0，Pe0和0分別為風(fēng)機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機輸出功率和風(fēng)機槳距角的標(biāo)稱值，且KR320=00v0/2，Te0=Kg0Te0。若轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cq0和Cq二階可導(dǎo)，系統(tǒng)模型可由其標(biāo)稱模型和小信號模型表示為P󰀅e0=Te0K0Cq0(m0,0,v0)Te0/J0󰀅=Pe(a0+a)Pe+Te0(b0+b)+ (3) (c0+c)v+h󰀄132 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷式中：Pe=PePe0為發(fā)電機輸出功率的小信號變量

15、；o(Cq)為Cq(m,v)的高階無窮小Taylor展開項；=0，v=vv0分別為風(fēng)機轉(zhuǎn)速、槳距角和風(fēng)速的小信號變量。h󰀄=o(Cq)+Pet+Pt(4) 式中：Pet=Pe+(Te0Te)(am0bcv)，為等 效電磁轉(zhuǎn)矩擾動引入的功率誤差，包含風(fēng)力發(fā)電機動態(tài)、噪聲和其他非參數(shù)化不確定性的影響；T2Pe0JTe2e=+T󰀅em；Pt=TeJKCq(m0,0,v0) 0JTe0JK0Cq0(m0,0,v0)，為等效機械轉(zhuǎn)矩擾動引入的 0功率誤差，包含風(fēng)機轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線偏差、風(fēng)機參數(shù)不確定性、風(fēng)速檢測誤差和槳距角調(diào)節(jié)器動態(tài)的影響；h󰀄為等效擾動。 a

16、=󰀅m=1R4vCqm2J0OPOPb=󰀅m=12JR3v2Cq0OP (5)OPc=󰀅m=1CvOP2JR3v0(2Cqq)OPa=1R4vCq002J00000bC0=12J0R30v2q0(6) 00c13Cq0=2J0R0v0(2Cq0000a=aa0b=bb0 (7) c=cc0式中：“OP”表示工作點m=m0，=0，v=v0；0=m0R0/v0為標(biāo)稱葉尖速比。2 控制器設(shè)計2.1 控制器設(shè)計前提由上述分析可知，風(fēng)電系統(tǒng)功率水平控制的目標(biāo)是控制其輸出功率跟蹤給定參考值r，且對風(fēng)機參數(shù)不確定性、發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩擾動、風(fēng)速檢測誤差等具有魯棒性

17、。假設(shè)1 時變的擾動參數(shù)a、b、c和h󰀄分段連續(xù)且一致有界，存在正常數(shù)a、b、 c和h，有a<ab<b(8) c<ch󰀄<h假設(shè)2 風(fēng)速小信號變量v分段連續(xù)且一致有界，存在正常數(shù)v，有v<v (9)假設(shè)3 參考輸出r分段連續(xù)且一致有界，存在正常數(shù)r，有r<r (10)假設(shè)4 當(dāng)時間趨于無窮時，擾動參數(shù)a、b、c、h󰀄、v和r有界，存在正常數(shù)1、2、3、4、v和r，有a1,b2, c2h󰀄4, v (11) v, rr, t本文設(shè)計的魯棒控制器由2部分組成：=0+ (12) 式中：0為標(biāo)稱控制輸入

18、；=為魯棒補償輸入。 2.2 標(biāo)稱控制器設(shè)計令系統(tǒng)標(biāo)稱模型的參考動態(tài)為Pe=Pe(s)rPe(s)=Nm(s)/Dm(s) (13) 式中：s表示微分算子；D(s)為首一Hurwitz多項式。令2Nm(s)=nDm(s)=s2+22 ns+n式中n和為正常數(shù)，可根據(jù)要求的動態(tài)特性，如響應(yīng)時間、超調(diào)量和帶寬等設(shè)計。 由標(biāo)稱模型式(3)和參考模型式(13)，標(biāo)稱控制輸入為 0=g(m0,v0,r) (14)式中g(shù)(m0,v0,r)稱為標(biāo)稱系統(tǒng)式(3)的逆系統(tǒng)，由 式(15)求出。CJ0sNm(s)q0(m0,0,v0)=1KT0e0+Tr (15) e0Dm(s)式中0為變量，其他參數(shù)為已知量。轉(zhuǎn)

19、矩系數(shù)曲線Cq0根據(jù)風(fēng)機廠家提供的實驗數(shù)據(jù)擬合而成，由圖1可知，當(dāng)葉尖速比0一定時，Cq0與槳距角0呈拋物線關(guān)系，即上述逆系統(tǒng)可能有12解。圖3為典型的風(fēng)機轉(zhuǎn)矩曲線，圖中風(fēng)速v1>v2，槳距角1<2。如圖，當(dāng)風(fēng)機參數(shù)滿足第25期 耿華等： 變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制 133Tt=Te0A，m0=m01時，其對應(yīng)運行點為A，此時0有2解1和2。顯然，轉(zhuǎn)矩曲線OAE󰁱上的A點為系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行點。由圖3可知，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速m0出現(xiàn)一個小的正向(負(fù)向) 擾動時，風(fēng)機機械轉(zhuǎn)矩Tt將會相應(yīng)增加(減小)，由式(2)可知，若發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩不變，將導(dǎo)致m0的進一步增加(減小)，最

20、終系統(tǒng)運行點將遠(yuǎn)離點A；相反可知，轉(zhuǎn)矩曲線󰁱DAB上的A點為穩(wěn)定運行點，此處dTt/dm<0。綜上，風(fēng)機系統(tǒng)的穩(wěn)定逆系統(tǒng)唯一存在，并可從轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線中求得。TTem01圖3 風(fēng)機轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig. 3 Torque characteristic of wind turbine2.3 魯棒補償控制器設(shè)計令風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率誤差為e=rPe (16) 為消除參數(shù)不確定性所帶來的誤差，在控制器中加入積分項：󰀅=e+k3 (17) 令控制器的魯棒補償輸入為=k1ek2 (18) 式中k1、k2和k3為常數(shù)。k1稱為補償系數(shù)；k2,k3稱為鎮(zhèn)定系數(shù)。槳距角魯棒控制器

21、可以重新表示為=g(m0,v0,r)+k1e+k2 (19)相應(yīng)地，系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。圖4 槳距角控制框圖Fig. 4 Control frame of the pitch control3 魯棒性分析將魯棒控制器式(19)帶入系統(tǒng)模型式(3)中，令z󰀅1=z2，z2=Pe0r，z3=e，z4=，系統(tǒng)的誤差狀態(tài)方程為0100z=2󰀅n2n002n2z+0n+aa+bTe0k1bTe0k2f (20)001k30式中：z=zT1z2z3z4；f=(cTe0v+h󰀄)。 由假設(shè)1和2可知，v和h󰀄有界，且邊界與風(fēng)機參數(shù)無關(guān)，故令

22、正常數(shù)f滿足：f(t) (21)定理 1 令假設(shè)1、2和3成立，閉環(huán)系統(tǒng)具有以下特性：1）魯棒穩(wěn)定性。存在足夠大的k*1，對于任意k1k*1，閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)變量有界。2）魯棒跟蹤特性。若z(0)=0，對于任意給定常數(shù)>0，存在足夠大的k*1，對于任意k1k*1，有e2(t),t0。3）魯棒漸近跟蹤特性1。若z(0)0，對于任意給定常數(shù)>0，存在足夠大的k*1和T>0，對于任意k*21k1，有e(t),tT。4）魯棒漸近跟蹤特性2。進一步，若假設(shè)4成立，任意有界z(0)，對于任意給定常數(shù)>0，存在足夠大的k*1，對于任意k1k*1，有e(t)0，t。證明：定義A01m=2

23、n2n 由于參考模型式(13)穩(wěn)定，則Lyapunov矩陣PAT=I存在正定解P=p1p2m+AmPp2p3。其中，p1=+1(1=11n+)；p22；p3=(1+12)。n4n2n4 nn選擇系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)：V=(zzz12212)Pz2+z3b0Te0k2z4則V󰀅=z21z22+22nz1z3+2(2n+a)z2z3+ 2(a+bTe0k1)z23+2bTe0k2z3z4+2z3f 2b2220Te0k2k3z4z21z2+2nz1z3+2(2a)zbk2n+2z3+2(a+1Te0z3+2bTz2e0k23z42b0Te0k2k3z4+f/= VzQzT+f

24、/其中，為正常數(shù)，且134 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷1p1p2Q=2n0(2n+a)(2n+a)2(a+bk1Te0+/2)bTe0k2bTe0k202b0Te0k2(k3+/2)p21p3002n令1(P)和2(P)為矩陣P的特征值，若 1/20則有Q2n01/22n1/2max1(P),2(P) (22)00(2n+a)(2n+a)2(a+bk1Te0+/2)bTe0k2bTe0k202b0Te0k2(k3+/2)進一步，若0 (23) 0+222+k)+bTe0k20e2(t),t0 (26)此時，對應(yīng)k1滿足：f/2 (27)由不等式(23)可知，選擇k1*滿足 Kk1

25、*A (28)Te0式中：=b0+b；k=a+(2n+a)+24n2；k=a0a+(2n+a0a)2+n4+󰀅V+此時有V2。則Q0。0式中KA=。 k若 k1*maxKA,(t，即k2)/Te0 (29) 2則定理1的結(jié)論(1)、(2)成立。V(t)eV(0)+進一步，有若 k1*maxKA, (k/)2/Te0 (30) 同時 T1ln(2V(0)/) (31)t12zi(t)eV(0)PPmin(),()12(24) i=1,2tz2tV()e(0)i=3,4j則當(dāng)k1足夠大時，閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)變量有界且全局漸近收斂。由式(24)可知，2e2(t)=z3(t)etV(0)的

26、邊界由狀態(tài)變量的邊由結(jié)論(1)可知，e和f󰀅有界。進一步，若假設(shè)4成󰀅和e界決定，因此，z的邊界存在。 立，則當(dāng)時間t趨于無窮時，e和f由于e(t)=z3(t)穩(wěn)定，且t時有界，又對于任意有界初始狀態(tài)，e2(t)dt有界。 由Barbalat0󰀅都有界，則 引理21可知，若e2(t)dt和ee(t)0,t (32)即結(jié)論(4)成立。t0 (25)4 仿真結(jié)果4.1 仿真實驗設(shè)計由于目前的商業(yè)化兆瓦級風(fēng)電機組的槳距角控制多采用基于線性化系統(tǒng)的PID控制器，本文通過Matlab/Simulink仿真比較了槳距角魯棒控制器和傳統(tǒng)PID控制器的性能。其中

27、，轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線由可見，當(dāng)k1足夠大時，系統(tǒng)跟蹤誤差有界且全局漸近收斂。若系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值為零，即V(0)=0，則對于任意給定常數(shù)>0，當(dāng)k1足夠大時，系統(tǒng)跟蹤誤差為第25期 耿華等： 變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制 135實際風(fēng)機廠家提供的離散實驗數(shù)據(jù)擬合而成，相應(yīng)地，槳距角魯棒控制器中的逆系統(tǒng)由線性插值的方法從上述離散數(shù)據(jù)中求得。風(fēng)電系統(tǒng)的標(biāo)稱參數(shù)如表1所示?？紤]實際的系統(tǒng)的限制，變槳距調(diào)節(jié)器的最大執(zhí)行速度設(shè)為10°/s，槳距角的變化范圍為030°。選擇n=200和=0.9，則系統(tǒng)的標(biāo)稱模型動態(tài)特性滿足：過渡過程時間為0.021 3 s，超調(diào)量為0.15%。準(zhǔn)穩(wěn)

28、態(tài)標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩Te0和參考輸出功率r分別為1 MNm 和 1.5 MW。由不等式(23)，設(shè)計鎮(zhèn)定參數(shù)k32=0.5×10,k3=0.5×104，魯棒補償參數(shù)為k21=10。傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)根據(jù)文獻19的方法設(shè)計。通過理論分析和反復(fù)的仿真實驗，選擇一組相對較好的PID參數(shù)：kp=2×103，ki=0.5，kd=0。表1 變速變槳距風(fēng)機參數(shù)Tab. 1 Parameters of VSVP-WGS風(fēng)機參數(shù) 數(shù)值風(fēng)機半徑/m 40空氣密度/(kgm3) 1.25 切入風(fēng)速/(m/s) 3切出風(fēng)速/(m/s) 25 額定風(fēng)速/(m/s) 12.6 風(fēng)機慣性/(kgm2

29、) 90×106風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速/(rad/s) 1.5發(fā)電機慣性/(kgm2) 90齒輪箱變比 100發(fā)電機極對數(shù) 2發(fā)電機額定電磁轉(zhuǎn)矩/(Nm) 1×106發(fā)電機額定功率/MW 1.5 槳距角調(diào)節(jié)器響應(yīng)時間/s 0.5 槳距角調(diào)節(jié)器最大調(diào)節(jié)速度/(°/s) 104.2 控制器性能比較實驗仿真條件為風(fēng)速v的變化曲線如圖5所示。仿真比較了文中的魯棒控制器和傳統(tǒng)PID控制器的性能。仿真結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為魯棒控制器仿真結(jié)果，圖6(b)為PID控制器仿真結(jié)果?？梢?，隨著風(fēng)速的變化，2種控制器都能夠調(diào)節(jié)槳距角來維持輸出功率水平；然而，不同風(fēng)速范圍下，PID控制器的性

30、能不同，圖中可見，風(fēng)速在15 m/s左右時，PID控制器下系統(tǒng)輸出有功波動較小，隨著風(fēng)速增大，在18 m/s時，輸出有功出現(xiàn)了劇烈波動，此時的輸出槳距角也在劇烈波動，這是由于PID控制器是基于某一線性化模型設(shè)計的，在線性化點處可以獲得較好的性能，當(dāng)系統(tǒng)運行偏離線性化點較大時，控制器性能變差，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；而文中提出的非線性魯棒控制器在較大風(fēng)速范圍內(nèi)都能控制系統(tǒng)輸出平穩(wěn)的有功功率，有功波動遠(yuǎn)小于PID控制器。同時，魯棒控制器下，系統(tǒng)的輸出槳距角和風(fēng)機機械轉(zhuǎn)矩波動較小，可以有效減小槳距角調(diào)節(jié)裝置和風(fēng)機的機械疲勞，延長系統(tǒng)壽命。)s/m(/vt/s圖5 風(fēng)速變化曲線Fig. 5 Inp

31、ut wind speed)°°(/20(/ 20 )s10)s/ddaar1.500 1 10 1.500 1r(/m1.500 0m1.500 0 1.499 9 1.499 9 W1.500 1W1.500 1MM1.500 0/e/eP1.500 0 P 1.499 9) )mm1.0011.499 9 NN1.005 M1.000M(1.000 (/t/t0.999TT0 500 1 0.995 t/s000 1500 0 500 1 t/s000 1 500(a) 魯棒控制器 (b) PID控制器 圖6 控制器性能比較Fig. 6 Comparisons of

32、two controllers4.3 魯棒性能驗證實驗仿真條件為實際風(fēng)機參數(shù)KCq=2×K0Cq0，J=0.8×J0，t=050 s，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩Te=Te0，t=50 s處，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)20%的擾動。仿真比較了未出現(xiàn)參數(shù)和出現(xiàn)參數(shù)擾動2種情況下控制器的性能?？紤]風(fēng)機的塔影和尾流效應(yīng)22，實際風(fēng)速v及其測量值v0如圖7所示。仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為沒有參數(shù)擾動的仿真結(jié)果，圖8(b)為參數(shù)出現(xiàn)擾動時的仿真結(jié)果。可見，當(dāng)參數(shù)未出現(xiàn)擾動時，隨著風(fēng)速的快速變化，魯棒控制器可以通過對槳距角的快速調(diào)節(jié)，抑制系統(tǒng)輸出有功的波動；當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)擾動，特別是發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)突變

33、時，魯棒控制器通過頻繁的槳距角調(diào)節(jié)改變風(fēng)機的輸出機械轉(zhuǎn)矩，從而抑制參數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩變化的影響，由于風(fēng)機慣性較大，通過槳距角調(diào)節(jié)來抑制功率波動需要一定的響應(yīng)時間。由圖8可見，文中提出的非線性魯棒槳距角控制器對系統(tǒng)的參數(shù)化和非參數(shù)化擾動具有一定的魯棒性，但這是通過更加頻繁的槳距角調(diào)節(jié)器動作而實現(xiàn)的，加劇了輸出槳距角和風(fēng)機機械轉(zhuǎn)矩的脈動；136 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷因此，減小槳距角調(diào)節(jié)器和風(fēng)機的疲勞度與在參數(shù)擾動時實現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出是一對矛盾，可以根據(jù)用戶的要求，選擇或在線調(diào)整魯棒補償系數(shù)k1，在上述矛盾中找到平衡。與其他非線性控制方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、變增益PID法等相比，文中提

34、出的控制器簡單易于實現(xiàn)。工程實現(xiàn)時，上述控制器中逆系統(tǒng)的求解根據(jù)廠家提供的風(fēng)機特性數(shù)據(jù)查表插值得到，對于不同的風(fēng)機，算法不變，只需修改存儲在微處理器中的風(fēng)機特性數(shù)據(jù)即可；而參數(shù)k1，k2，k3可以根據(jù)不等式(23)、(30)設(shè)計。因此，該控制器設(shè)計簡單，并且可以方便地移植到不同類型的風(fēng)電系統(tǒng)中。20 v)18 s/mv0(16 /v14120 20 40 t /s 60 80 100圖7 風(fēng)速變化曲線Fig. 7 Input wind speed)30)°°(/20 10 )ss0 /da1.501 /da15 rr(/m1.500 (/m13 1.499 11 WM1.5

35、01 W/eP1.500 M17/eP 1.499 )15m1.5 mN1.0 NMM1 (/0.5/tt0 TT0 40 t/s 80 10 40 t /s80(a) 無參數(shù)擾動 (b) 有參數(shù)擾動圖8 魯棒性能比較Fig. 8 Robustness comparisons5 結(jié)論基于真實風(fēng)機模型，設(shè)計了一種逆系統(tǒng)槳距角魯棒控制器。理論分析和仿真結(jié)果表明該控制器具有以下特點：1）該控制器可以在較大風(fēng)速范圍內(nèi)實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率水平控制，有助于提高電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性。2）該控制器對參數(shù)不確定性、風(fēng)速檢測誤差、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩擾動和其他非參數(shù)化不確定性具有較強的魯棒性。3）與其他非線性控制器相比

36、，該控制器更易于工程實現(xiàn)和被移植到其他風(fēng)電系統(tǒng)中。4）該控制器的設(shè)計思想同樣適用于其他具有此類非仿射型非線性特征的系統(tǒng)控制。5）對擾動的魯棒性和槳距角調(diào)節(jié)器的疲勞度是一對矛盾，根據(jù)用戶的要求，在線調(diào)節(jié)控制器的魯棒補償系數(shù)，可以實現(xiàn)上述矛盾的平衡。參考文獻1 Sahin A DProgress and recent trends in wind energy JProgress inEnergy and Combustion Science，2004，30(5)：501-5432 Leith D J，Leighead W EImplementation of wind turbinecontro

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