一种风力发电机组的桨距角控制方法及桨距角控制器

摘要

本申请公开了一种风力发电机组的桨距角控制方法及控制器，对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分析，建立实际动力学模型；根据实际动力学模型，生成具备理想动态特性的参考模型，参考模型的输入为桨距角，参考模型的输出为发电机转速；根据参考模型，对风力发电机组进行状态预测，确定风力发电机组的桨距角控制律，桨距角控制律用于调整风力发电机组的桨距角，以使风力发电机组输出的实际发电机转速偏离额定发电机转速时，将风力发电机组输出的实际发电机转速调整为额定发电机转速。这样，当风速变化时，发电机转速能够很好地维持在额定转速附近，均方误差很小，参数调整方便，发电机转速波动小，控制精度高，可靠性强。

说明书

技术领域

本申请涉及风力发电机组控制技术领域，特别涉及一种风力发电机组的 桨距角控制方法及桨距角控制器。

背景技术

风能是一种清洁安全的可再生资源，风力发电能够保障能源安全，调整 能源结构，减轻环境污染，是新能源领域中技术最成熟、最具规模和发展前 景的发电方式之一，对于实现可持续发展具有非常重要的意义。利用风能发 电的风力发电机组本身是非线性时变的大惯性系统，同时，带来强扰动的风 速，存在测量值不准确且不可用的工程现状，并且并网和室外运行带来的不 确定因素又是风力发电控制的另一难题。因此，风力发电机组高性能的控制 技术是提高风力发电水平的关键技术，对于提高风能捕获和并网发电可靠性 具有决定作用。

风力发电机组的转速主要受到三种力矩的作用：气动转矩、发电转矩和 阻尼力矩。其中，气动转矩是维持风力发电机转动的动力矩。变桨距变速风 力发电机组的运行发电状态大致可以分为两个阶段，低风速段的最大风能捕 获和高风速段的恒功率运行。在风速大于额定风速时，风力发电机组的主要 控制目标是保持功率的平稳，高质量供电达到并网的要求，减小对电网的冲 击作用。此时，发电转矩一般会保持额定转矩值，而发电功率为发电转矩和 转轴转速的乘积，要达到以额定功率发电的目标，就要求转速维持额定值， 这样，阻尼力矩也会基本不变。

风力并不是一成不变的，是具有突发性和不确定性的一种能源。如果桨 距角不变，当风速快速变化时，会导致气动转矩发生相应的改变，这样风力 发电机就无法维持额定转速。因此需要控制桨距角来改变桨叶受风力作用的 叶片攻角，对气动转矩起到与风速变化作用相反的效果，使得风力发电机组 维持在额定转速运行。而桨距角对气动转矩的作用是非线性的，当风速接近 于额定风速时，桨距角在0度附近，此时，气动转矩对桨距角的敏感度很小； 但是随着桨距角的增大，气动转矩对桨距角变化的敏感度也就越大。

在现有技术中，是在传统的PI变桨距控制器中加入增益调整环节，采用 不同工作点施加不同增益的方法，在更高的风速段，桨距角的调整增益就更 小，因为，此时较小的桨距角变化就能引起很大的气动转矩变化。

但是，现有的PI控制器本身对于非线性系统就存在不同工作点附近，最 优PI值会发生改变的特点。同时，由于大气变化导致雷诺数变化、季节或者 环境的变化、电网电压或者频率变化以及机械结构磨损等机组老化等因素， 会导致系统参数变化，对于风力发电机组这种存在时变参数的系统，PI控制 器是无法自动做到PI系数更新优化的。基于某工作点的线性化模型的方法， 只能保证在线性化工作点附近的控制效果，对于工作范围较宽、随机扰动大、 不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。因此，PI控制器对桨距角 的控制效果是不理想的，存在高风速段功率波动大，系统参数改变后会导致 性能下降的缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种风力发电机组的桨距角控制方法及桨距 角控制器，以适用于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严 重的风电系统，以实现对桨距角的精确控制，避免高风速段功率波动和系统 参数改变对桨距角控制造成的影响，可靠性强。

基于上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本申请提供一种风力发电机组的桨距角控制方法，包括：

对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分析，建立实际动力学模型， 所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风力发电机组的未知参数；

根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性的参考模型，所述参 考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发电机转速；

根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状态预测，确定所述风力 发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调整所述风力发电机组的 桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转速偏离额定发电机转速 时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整为额定发电机转速。

优选地，所述对风力发电机组进行空气动力学分析，建立实际动力学模 型，具体为：

由$\left(\begin{array}{c}{J}_r{\stackrel{.}{\omega }}_r=T_a-K_r{\omega }_r-B_r{\theta }_r-T_{\mathrm{ls}}\\ J_g{\stackrel{.}{\omega }}_g=T_{\mathrm{hs}}-K_g{\omega }_g-B_g{\theta }_g-T_{\mathrm{em}}\\ n_g=\frac{{\omega }_g}{{\omega }_r}=\frac{T_{\mathrm{ls}}}{T_{\mathrm{hs}}}\end{array}\right)$

其中，J_g为发电机惯量，J_r为旋翼惯量，ω_r为旋翼角速度，ω_g为发电机 角速度，K_g为发电机外部阻尼，K_r为旋翼外部阻尼，B_g为发电机外部刚度， B_r为旋翼外部刚度，T_a为空气动力转矩，T_hs为高速侧转矩，T_ls为低速侧转矩， T_em为发电机电磁转矩，n_g为齿轮箱传动比；

得到：$J_r{\stackrel{.}{\omega }}_t=T_a-K_t{\omega }_t-B_t{\theta }_t-T_g$

其中，$\left(\begin{array}{c}{J}_t=J_r+n_g^2{J}_g\\ K_t=K_r+n_g^2{K}_g\\ B_t=B_r+n_g^2{B}_g\\ T_g=n_g{T}_{\mathrm{em}}\end{array}\right)$

进一步得到：${\stackrel{.}{\omega }}_r=(T_a-({\omega }_r,\beta )-K_t{\omega }_t-T_g+\delta )/J_t$

其中，v为风速，为叶尖速比，β为桨距角， $C_p(\lambda ,\beta )=0.22(\frac{166}{m}-0.4\beta -5)e^{-\frac{12.5}{m}}$δ为误差项，C_p(λ,β)为风能利用系数且

优选地，所述根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性的参考 模型，具体为：

根据实际动力学模型生成参考模型 其中，bσ(t)为所述实际动力学模型与所述参考模 型之间的误差。

优选地，所述根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状态预测， 具体为：

根据参考模型采用 对所述风力发电机组进行状态预测。

优选地，还包括：

构造所述风力发电机组的桨距角反馈控制律，对确定的所述桨距角控制 律进行修正，得到实际动力学模型的理想输入；所述桨距角反馈控制律中包 括可校正参数，所述可校正参数用于消除所述参考模型和所述实际动力学模 型之间的动态响应误差。

优选地，所述构造所述风力发电机组的桨距角反馈控制律，对确定的所 述桨距角控制律进行修正，得到实际动力学模型的理想输入，具体为：

实际动力学模型的理想输入：

其中-k_gr为所述桨距角控制律的输入。

优选地，还包括：

采用自适应机制调整所述可校正参数。

优选地，所述采用自适应机制调整所述可校正参数，具体为：

$\stackrel{.}{\hat{\sigma }}\left(t\right)={\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Proj}(\hat{\sigma }\left(t\right),-{\tilde{\omega }}_r\left(t\right)\mathrm{Pb})=-{\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Pb}{\tilde{\omega }}_r\left(t\right),\hat{\sigma }\left(0\right)={\hat{\sigma }}_0$

采用自适应机制调 整所述可校正参数；其中，Γ_σ>0，P>0。

本申请还提供一种风力发电机组的桨距角控制器，包括：

实际模型建立模块，用于对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分 析，建立实际动力学模型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风力 发电机组的未知参数；

参考模型建立模块，用于根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态 特性的参考模型，所述参考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发 电机转速；

桨距角控制模块，用于根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状 态预测，确定所述风力发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调 整所述风力发电机组的桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转 速偏离额定发电机转速时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整 为额定发电机转速。

优选地，还包括：

修正模块，用于构造所述风力发电机组的桨距角反馈控制律，对确定的 所述桨距角控制律进行修正，得到实际动力学模型的理想输入；所述桨距角 反馈控制律中包括可校正参数，并采用自适应机制调整所述可校正参数，所 述可校正参数用于消除所述参考模型和所述实际动力学模型之间的误差。

应用上述技术方案，本申请提供的风力发电机组的桨距角控制方法及控 制器，对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分析，建立实际动力学模 型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风力发电机组的未知参数； 根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性的参考模型，所述参考模 型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发电机转速；根据所述参考模型， 对所述风力发电机组进行状态预测，确定所述风力发电机组的桨距角控制律， 所述桨距角控制律用于调整所述风力发电机组的桨距角，以使所述风力发电 机组输出的实际发电机转速偏离额定发电机转速时，将所述风力发电机组输 出的实际发电机转速调整为额定发电机转速。当风速变化时，发电机转速能 够很好地维持在额定转速附近，在极小的范围内变动，均方误差很小。该变 桨距控制器具有结构简单，参数调整方便，发电机转速波动小的特点，可以 满足大多数风力发电系统高风速段的控制目标，控制精度高，可靠性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中 所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图；

图2为本申请提供的另一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图；

图3为本申请提供的又一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图；

图4为本申请提供的一种风力发电机组的桨距角控制器的结构示意图；

图5为本申请提供的另一种风力发电机组的桨距角控制器的结构示意图；

图6为本申请提供的风力发电机组的桨距角控制器的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请提供的一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图。

参照图1所示，本申请实施例提供的风力发电机组的桨距角控制方法， 包括：

步骤S100：对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分析，建立实际 动力学模型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风力发电机组的未 知参数；

在本申请实施例中，根据动力学分析建立的实际动力学模型，可由如下 方程组表示：

$\left(\begin{array}{c}{J}_r{\stackrel{.}{\omega }}_r=T_a-K_r{\omega }_r-B_r{\theta }_r-T_{\mathrm{ls}}\\ J_g{\stackrel{.}{\omega }}_g=T_{\mathrm{hs}}-K_g{\omega }_g-B_g{\theta }_g-T_{\mathrm{em}}\\ n_g=\frac{{\omega }_g}{{\omega }_r}=\frac{T_{\mathrm{ls}}}{T_{\mathrm{hs}}}\end{array}\right)$

其中J_g：发电机惯量（㎏·m²），J_r：旋翼惯量（㎏·m²），

ω_r：旋翼角速度（rad/s），ω_g：发电机角速度（rad/s），

K_g：发电机外部阻尼（N·m/(rad·s)），K_r：旋翼外部阻尼（N·m/(rad·s)），

B_g：发电机外部刚度（N·m/(rad·s)），B_r：旋翼外部刚度（N·m/(rad·s)），

T_a：空气动力转矩（N·m），T_hs：高速侧转矩（N·m），

T_ls：低速侧转矩（N·m），T_em：发电机电磁转矩（N·m），

n_g：齿轮箱传动比

进一步可得到如下表达式：

$J_r{\stackrel{.}{\omega }}_t=T_a-K_t{\omega }_t-B_t{\theta }_t-T_g$

其中$\left(\begin{array}{c}{J}_t=J_r+n_g^2{J}_g\\ K_t=K_r+n_g^2{K}_g\\ B_t=B_r+n_g^2{B}_g\\ T_g=n_g{T}_{\mathrm{em}}\end{array}\right)$

由于外部刚度非常小，它可以被忽略（发电机和风轮的结合惯量处于主导 地位），使用如下式单质块的模型来表示驱动机构：

${\stackrel{.}{\omega }}_r=(T_a-({\omega }_r,\beta )-K_t{\omega }_t-T_g+\delta )/J_t$

其中，v为风速，为叶尖速比，β为桨距角， δ为误差项。C_p(λ,β)风能利用系数是一个复杂的非线性函数，它的近似表达 式为：

$C_p(\lambda ,\beta )=0.22(\frac{166}{m}-0.4\beta -5)e^{-\frac{12.5}{m}}$

$\frac{1}{m}=\frac{1}{\lambda +0.08\beta }-\frac{0.035}{{\beta }^2+1}$

在本申请实施例中，综合考虑风速的快速变化，风力发电机组非线性、 大惯性的特性以及系统参数不确定带来的影响，根据风力发电机组空气动力 学方程得到风力发电机组复杂的大惯性特性的实际动力学模型，其中包含有 不确定风速和风力发电机组的未知参数。

步骤S200：根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性的参考模 型，所述参考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发电机转速；

在本申请实施例中，参考模型在一定程度上是可以根据动态特性对应的 零极点位置来设计，但是要受到规定的参考模型理想性态应当是被控对象可 以达到的这一物理要求的限制，由此基于实际动力学模型可以简化得到风力 发电机组的低阶线性的参考模型。由于发电机功率为发电转矩与发电机转速 的乘积，而风速高于额定风速阶段，发电转矩为额定值，所以参考模型是输 入为桨距角，输出为发电机功率（或者发电机转速）的对实际模型的理想动 态特性的表征模型。

得到参考模型

认为实际模型其中bσ(t)表征实际模型与 参考模型之间的区别误差。

步骤S300：根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状态预测，确 定所述风力发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调整所述风力 发电机组的桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转速偏离额定 发电机转速时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整为额定发电 机转速。

在本申请实施例中，在实际控制器设计时，用下面设计的状态预测器对 参考模型做估计：

一方面，当实际发电功率（或者实际发电机转速）大范围偏离额定功率 （或者额定发电机转速）时，能够通过调整桨叶节距角使得实际发电功率（或 者实际发电机转速）能够快速低超调地达到额定功率（或者额定发电机转速）。 另一方面，实际发电功率（或者实际发电机转速）能够维持在额定功率（或 者额定发电机转速）附近，允许在很小范围内变化。以这两者作为目标，推 导得到参考模型的桨距角控制律。

由于参考模型已经表征了比较理想的动态特性，而这里的主要目标是维 持功率稳定，所以，参考模型的输入可以简单地设计为-k_gr。

应用本实施例的技术方案，对风力发电机组的动态特性进行空气动力学 分析，建立实际动力学模型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风 力发电机组的未知参数；根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性 的参考模型，所述参考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发电机 转速；根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状态预测，确定所述风 力发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调整所述风力发电机组 的桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转速偏离额定发电机转 速时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整为额定发电机转速。 当风速变化时，发电机转速能够很好地维持在额定转速附近，在极小的范围 内变动，均方误差很小，参数调整方便，发电机转速波动小，可以满足大多 数风力发电系统高风速段的控制目标，控制精度高，可靠性强。

图2为本申请提供的另一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图。

参照图2所示，本申请实施例提供的另一种风力发电机组的桨距角控制 方法，在上述实施例的基础上，还包括：

步骤S400：构造所述风力发电机组的桨距角反馈控制律，对确定的所述 桨距角控制律进行修正，得到实际动力学模型的理想输入；所述桨距角反馈 控制律中包括可校正参数，所述可校正参数用于消除所述参考模型和所述实 际动力学模型之间的动态响应误差。

在本申请实施例中，考虑风速的快速变化带来的扰动，风力发电机组的 非线性以及系统参数不确定带来的影响，实际的风力发电机组与低阶线性的 参考模型之间会存在差别。进一步构造控制器中的可校正参数表征系统可变 参数对输出的作用，采用自适应机制在线调整可校正参数对系统参数变化和 扰动带来的性能不稳定起到抑制。

进一步构造控制器中的可校正参数表征系统可变参数对输出的作用，得 到实际模型的理想输入：

其中-k_gr为所述桨距角控制律的输入。

在这里，控制器中还可以加入低通滤波环节，以频域形式可以表示为 用来消除控制量中的高频分量，降低调节器的调整频率，延长调节 器寿命。

图3为本申请提供的又一种风力发电机组的桨距角控制方法的流程图。

参照图3所示，本申请实施例提供的又一种风力发电机组的桨距角控制 方法，在上述实施例的基础上，还包括：

步骤S500：采用自适应机制调整所述可校正参数。

在本申请实施例中，为控制器设计自适应机制在线调整可校正参数，对 系统参数变化带来的性能不稳定起到抑制。广义误差含有状态广义误差和输 出广义误差两部分，基于消除实际被控对象与参考模型之间的动态响应的广 义误差，设计自适应机制快速有效地在线调整可校正参数。实现跟踪收敛， 即当被控对象的参数被精确地在线估计时，相应的控制律使系统的输出与参 考模型的输出相等。即设计自适应机制，快速有效地在线调整可 校正参数。

设计的自适应机制：

$\stackrel{.}{\hat{\sigma }}\left(t\right)={\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Proj}(\hat{\sigma }\left(t\right),-{\tilde{\omega }}_r\left(t\right)\mathrm{Pb})=-{\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Pb}{\tilde{\omega }}_r\left(t\right),\hat{\sigma }\left(0\right)={\hat{\sigma }}_0$

其中，Γ_σ>0，P>0。

应用上述实施例提供的技术方案，对风力发电机组进行空气动力学分析， 建立实际动力学模型，以维持高风速段功率稳定、实现高质量供电作为目标， 根据对系统动态特性的理想要求设计一个参考模型，基于推导得到的参考模 型理想输出对应的桨距角控制律，进一步构造带有可校正参数的风力发电机 组桨距角反馈控制律，采用自适应机制对可校正参数进行在线调整，消除风 力发电机实际输出与参考模型理想输出之间的动态响应误差。由状态预测器、 实际模型的理想输入和自适应机制三部分构成了本申请提供的风力发电机组 的桨距角控制方法，实现实际被控对象对参考模型的跟踪收敛，即当被控对 象的参数被精确地在线估计时，相应的控制律使系统的输出与参考模型的输 出相等。因此，本申请提供的风力发电机组的桨距角控制方法能够克服现有 带增益调整的PI变桨距控制算法高风速段功率波动大的问题，能够保证高风 速段功率平稳、高质供电利于并网、对于不同风力发电机组无需反复设计， 能够针对系统参数变化做到自适应调整，满足大多数变桨距风力发电系统的 需求。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动 作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的 限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

图4为本申请提供的一种风力发电机组的桨距角控制器的结构示意图。

请参照图4所示，本申请实施例提供的风力发电机组的桨距角控制器， 包括：

实际模型建立模块1，用于对风力发电机组的动态特性进行空气动力学分 析，建立实际动力学模型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风力 发电机组的未知参数；

参考模型建立模块2，用于根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态 特性的参考模型，所述参考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发 电机转速；

桨距角控制模块3，用于根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状 态预测，确定所述风力发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调 整所述风力发电机组的桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转 速偏离额定发电机转速时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整 为额定发电机转速。

本申请实施例提供的风力发电机组的桨距角控制器，可以采用上述方法 实施例中的风力发电机组的桨距角控制方法，此处不再赘述。

应用本实施例的技术方案，对风力发电机组的动态特性进行空气动力学 分析，建立实际动力学模型，所述实际动力学模型中包含有不确定风速和风 力发电机组的未知参数；根据所述实际动力学模型，生成具备理想动态特性 的参考模型，所述参考模型的输入为桨距角，所述参考模型的输出为发电机 转速；根据所述参考模型，对所述风力发电机组进行状态预测，确定所述风 力发电机组的桨距角控制律，所述桨距角控制律用于调整所述风力发电机组 的桨距角，以使所述风力发电机组输出的实际发电机转速偏离额定发电机转 速时，将所述风力发电机组输出的实际发电机转速调整为额定发电机转速。 当风速变化时，发电机转速能够很好地维持在额定转速附近，在极小的范围 内变动，均方误差很小，参数调整方便，发电机转速波动小，可以满足大多 数风力发电系统高风速段的控制目标，控制精度高，可靠性强。

图5为本申请提供的另一种风力发电机组的桨距角控制器的结构示意图。

参照图5所示，在本申请实施例中，所述风力发电机组的桨距角控制器， 在上述实施例的基础上，还可以包括：修正模块4，用于构造所述风力发电 机组的桨距角反馈控制律，对确定的所述桨距角控制律进行修正，得到实际 动力学模型的理想输入；所述桨距角反馈控制律中包括可校正参数，并采用 自适应机制调整所述可校正参数，所述可校正参数用于消除所述参考模型和 所述实际动力学模型之间的误差。

本申请实施例提供的风力发电机组的桨距角控制器，可以采用前述方法 实施例中的风力发电机组的桨距角控制方法，此处不再赘述。

应用上述实施例提供的技术方案，对风力发电机组进行空气动力学分析， 建立实际动力学模型，以维持高风速段功率稳定、实现高质量供电作为目标， 根据对系统动态特性的理想要求设计一个参考模型，基于推导得到的参考模 型理想输出对应的桨距角控制律，进一步构造带有可校正参数的风力发电机 组桨距角反馈控制律，采用自适应机制对可校正参数进行在线调整，消除风 力发电机实际输出与参考模型理想输出之间的动态响应误差。由状态预测器、 实际模型的理想输入和自适应机制三部分构成了本申请提供的风力发电机组 的桨距角控制方法，实现实际被控对象对参考模型的跟踪收敛，即当被控对 象的参数被精确地在线估计时，相应的控制律使系统的输出与参考模型的输 出相等。因此，本申请提供的风力发电机组的桨距角控制方法能够克服现有 带增益调整的PI变桨距控制算法高风速段功率波动大的问题，能够保证高风 速段功率平稳、高质供电利于并网、对于不同风力发电机组无需反复设计， 能够针对系统参数变化做到自适应调整，满足大多数变桨距风力发电系统的 需求。

图6为本申请提供的风力发电机组的桨距角控制器的控制原理图。

请参照图6，下面将以某风电股份有限公司生产的某款额定功率1.5MW 大型风力发电机组为例，对本申请提供的风力发电机组的桨距角控制方法及 控制器进行具体阐述：

该风力发电机机组的基本参数列表如下：

风力发电机组基本参数 数值范围 额定功率 1500KW 功率因数 -0.95～+0.95 切入风速 3m/s 额定风速 11m/s 切出风速 25m/s 风轮直径 77m 扫掠面积 4654m²叶片数 3 齿轮箱传动比 104.494 高速轴惯量 12Kg·m 发电机惯量 123Kg·m 发电机类型 绕线式双馈异步发电机 额定功率 1500KW 额定电压 690V 电网频率 50Hz60Hz 额定转速 1800rpm≈188.4rad/s

风力发电机组的大致运行工作区，可以分为两段，低风速段是最大风能 捕获工作区，主要是通过控制发电转矩，来维持最优叶尖速比达到提高风能 利用率的目标；而本申请的桨距角控制方法及控制器主要针对的是高风速段 的恒功率控制，即维持发电功率平稳，高质量发电利于并网，减小对电网的 冲击。

首先，对该风力发电机组建立实际动力学模型，在具体实施例中，风力 发电机采用的是额定功率1.5MW三叶水平轴迎风式变速风力发电机，风轮转 动惯量J_r=4456761㎏·m²，风轮外部阻尼K_r=45.52N·m/(rad·s)，发电机转 动惯量J_g=123㎏·m²，发电机外部阻尼K_g=0.4N·m/(rad·s)，J_t和K_t按 $J_t=J_r+n_g^2{J}_g$和$K_t=K_r+n_g^2{K}_g$计算得到。

实际动力学模型中大部分参数的近似值是可 以得到的。这为本申请中的参考模型的设计提供了依据。

本申请提供的风力发电机组的桨距角控制器，主要包括三部分结构：状 态预测器、自适应机制和实际控制器输出。状态预测器是基于参考模型构建 的，它的作用是计算参考模型的理想输出；自适应机制在线调整可校正参数， 力求实际模型与参考模型的动态响应一致；实际控制器的输出是含有可校正 参数的控制器输出，是被控对象的实际控制量。

参考模型在一定程度上根据动态特性对应的零极点位置来设计，但是要 受到规定的参考模型理想性态应当是被控对象可以达到的这一物理要求的限 制。基于实际模型可以简化得到风力发电机组的低阶线性的参考模型。

根据实际模型，本申请将极点配置在-0.52，转速相对于参考额定转 速值r的稳态增益为1，在这里提供一种优选的一阶线性参考模型：

${\stackrel{.}{\omega }}_r\left(t\right)=A_m{\stackrel{.}{\omega }}_r\left(t\right)-b*{\beta }_{\mathrm{ipart}}\left(t\right)$

其中，A_m=-0.52，b=400，β_ipart(t)=-k_gr，r=188.4rad/s。

接下来，将由参考模型构成的状态预测器设计为：

对桨距角控制量的增益非线性作调整，而则对实际动力学模型与 参考模型之间存在的误差进行估计。这两个作为可校正参数，采用自适应机 制进行在线学习。

自适应机制将实际模型发电机转速输出ω_r与参考模型输出作比较，对 系统参数变化和扰动带来的性能不稳定起到抑制，使得维持在0附 近。

在Bladed风力发电仿真软件下进行仿真验证时，采用的采样周期和控制 周期皆为0.04s。对上述可校正参数的学习率进行调试，可以得到当仿真效果 比较理想时，下面自适应调整率中参数的比较合适的取值。

$\stackrel{.}{\hat{\sigma }}\left(t\right)={\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Proj}(\hat{\sigma }\left(t\right),-{\tilde{\omega }}_r\left(t\right)\mathrm{Pb})=-{\Gamma }_{\sigma }\mathrm{Pb}{\tilde{\omega }}_r\left(t\right),\hat{\sigma }\left(0\right)={\hat{\sigma }}_0$

其中，Γ_σPb=0.12，可选为2.14，可选为5.38。

优选地，实际的控制方法和控制器中是加入低通滤波器环节对输出的高 频噪声进行抑制的。低通滤波器以频域形式可以表示为减小k则可 以增强低通滤波的效果。实际控制器如下：

较理想的仿真情况下，k=2.4。

风力发电机组的转速主要受到三种力矩的作用，气动转矩T_a、发电转矩T_g和阻尼力矩K_tω_r。在高风速段，发电转矩T_g和阻尼转矩K_tω_r基本维持在恒定值， 而气动转矩主要与风速v和桨距角β两个量有关。当风速v快速变化时，会导 致气动转矩T_a发生相应的改变，这样风力发电机就无法维持额定转速。对发 电机转速ω_r进行测量，将额定转速ω_rref与发电机转速ω_r的偏差e送入本申请实 施例提供的控制器，计算得到理想的桨距角β^*，通过控制桨距角β对气动转 矩T_a起到与风速v变化作用相反的效果，使得偏差e为0，让风力发电机组维 持在额定转速运行。

变桨距执行系统的模型是带有死区的非线性环节。风力发电机组的桨距 角的可调节范围和变桨距速率范围都是有限制的。当桨距角和变桨距速率在 饱和极限范围内时，变桨距执行系统表现为线性特性。执行系统的模型近似 为一阶系统因为，桨距角的变化范围为0～90°，所以，需要对 实际控制器输出加入限幅环节，限制在0～1.57rad。同时，对于本实施例中的 风力发电机，桨距角的变化率限定在±10°/s之内。

本申请的技术方案在该款额定功率1.5MW大型风力发电机进行了反复验 证，结果证实与带增益调整的PI控制器的发电机转速和功率相比，本方案能 够更好地保证发电机转速和功率平稳，有利于并网，减小对电网的冲击作用。

本申请的技术方案，在风力发电机组准确模型未知和作为干扰的风速不 可测量的情况下，提供了一个线性低阶的参考模型表征对系统动态特性的理 想要求。参考模型的提出受到的限制是规定的参考模型理想性态应当是自适 应控制系统可以达到的。然后为参考模型设计理想输出对应的控制量，采用 带有可校正参数的反馈控制律对实际动力学模型进行控制，其中的校正参数 基于能够消除实际模型与参考模型之间的动态响应误差的自适应机制进行在 线调整。因为，参考模型与风力发电机组这个被控对象的实际特性存在区别。 通过实际模型的输出与参考模型的输出的比较，根据自适应调整方法在线学 习，能保证当参数变化以及存在扰动时系统稳定并达到跟踪收敛。而且采用 低通滤波器有效抑制桨距角控制量中的高频噪声，降低调节器的反应频率， 增加调节器寿命，保证桨距角能够平稳变化。在参考模型选择合理的情况下， 当风速变化时，发电机转速能够很好地维持在额定转速附近，在极小的范围 内变动，均方误差很小，应用本申请方案的桨距角控制器结构简单，参数调 整方便，发电机转速波动小，可以满足大多数风力发电系统高风速段的控制 目标。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个 实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似 的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相 似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语 仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求 或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术 语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或 者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……” 限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存 在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种风力发电机组的桨距角控制方法及桨距角控 制器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进 行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及 应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明 的限制。