一种永磁半直驱风力发电机组最大功率跟踪方法

摘要

本发明公开了一种永磁半直驱风力发电机组最大功率跟踪方法，包括以下步骤：S1：建立永磁半直驱风力发电机组的数学模型；S2：建立永磁半直驱风电机组的自抗扰控制器模型；S3：设计新型控制函数替代常见的开关函数，用滑模控制的方法对自抗扰控制器中的NLSEF和ESO改进；S4：建立改进的SMC‑ADRC。其优点：提出基于滑模—自抗扰控制的最佳叶尖速比的改进控制策略，保留自抗扰原有抗扰能力的基础上，简化了参数整定，加快了系统响应速度，增强了系统的鲁棒性；通过实时检测的风轮角速度和风速，结合滑模—自抗扰控制器即可保证风机输出功率稳定，对动态学要求较低，具有计算迅速、控制精确、反应灵敏等优点，适用范围广，结果稳定可靠。

说明书

技术领域：

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种永磁半直驱风力发电机组最大功率跟踪方法。

背景技术：

随着资源危机和环境污染不断加重，能源问题越来越受到世界各国的重视。风电在各种新能源发电中发展迅速，同时也带来了极大问题的技术和挑战。风力发电的基本原理是先利用风力机叶片将风能捕获并转化为机械能，再利用风力发电机将机械能转化为电能。在随机变化的风速中，需要不断调节风电机组的转速随风速变化，使叶尖速比时刻保持最大值，使风电机组输出功率跟踪最大功率(MPPT)。因此，最大功率跟踪控制器在风力发电机组中起着至关重要的作用，控制策略的优越性直接影响到机组的运行状态和经济效益。

目前常见的最大功率跟踪控制方法主要有四种：爬山法、功率信号反馈法、最优转矩法、最佳叶尖速比法。其中爬山法在风速信息和风电机组特性未知情况下，人为施加转速扰动变化量，根据发电机输出功率的变化确定风机转速的控制增量，通过控制发电机电磁转矩使得风机转速趋于给定，反复执行上述搜索策略，直到机组运行在最大功率点。在爬山法中，最大功率是通过多次迭代获得的，因此对快速变化的风速的扰动性差。功率信号反馈法需要测量出风电机组的转速信息及该转速所对应的风电机组的最大输出功率，将它作为风电机组的额定输出功率，与实际功率经过误差调节器进行控制，以实现对最大功率点的跟踪。该方法需要测定风电机组转速和功率，并事先通过实验获得最优功率曲线，因此增加了跟踪控制的成本。最优转矩法是根据最优风机转速-转矩曲线，通过转矩闭环控制，使得发电机电磁转矩实时跟踪此最优曲线，使风电系统运行在最大功率点对应的电磁转矩。此方法需要提前获取最优风机转速—转矩曲线。

最佳叶尖速比法通过实时调节发电机的转速来保持最佳叶尖速比，从而使风电机组输出功率跟踪最大功率，这种控制方法容易理解，实现简单。但目前，基于最佳叶尖速比法的最大功率跟踪控制器主要采用PI控制策略，在控制过程中，由于风电机组的非线性、风速的随机变化、风轮的惯性等参数摄动，使得传统的PI控制参数整定复杂、响应速度慢，并不能满足控制性能的要求。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种新的最大功率跟踪控制器，在传统最佳叶尖速比方法的基础上结合自抗扰控制与滑模控制构造滑模自抗扰控制器，简化最大功率跟踪过程中的参数整定过程，提高系统响应速度及系统鲁棒性。

本发明由如下技术方案实施：一种永磁半直驱风力发电机组最大功率跟踪方法，其包括以下步骤：

S1：建立永磁半直驱风力发电机组的数学模型；

S2：建立永磁半直驱风电机组的自抗扰控制器模型；

S3：用滑模控制的方法对自抗扰控制器中的NLSEF和ESO改进；设计新型控制函数替代常见的开关函数：

选择l(e

其中，q为0到1之间的任意参数；

S4：基于S3建立的跟踪微分器TD、SM-ESO、SM-NLSEF，得到改进的滑模自抗扰控制器SMC-ADRC。

优选的，S2中的所述自抗扰控制器模型为：

进一步写为：

其中，

式中：T

优选的，所述S3具体包括以下步骤：

S31：基于自抗扰控制，利用下式获取非线性跟踪微分器：

其中，

式中：ω

S32：利用滑模控制改进自抗扰控制器的SEO，建立滑模SM-ESO；

式中，z

S33：利用滑模控制改进自抗扰控制器的NLSEF，建立SM-NLSEF；

式中，iq0为q轴电流控制量；为q轴电流给定值。

优选的，S32中所述Q(e

令

结合上式可得，

构造第一滑模面：s

优选的，S33中所述l(e

l(e

优选的，S33具体包括以下步骤：

构造滑第二模面：s＝c

建立SMC-NLSEF的表达式为：

本发明的优点：在风能最大功率跟踪中，针对自抗扰控制器中存在可调参数多且整定复杂的问题，提出了基于滑模—自抗扰控制的最佳叶尖速比的改进控制策略；保留自抗扰原有抗扰能力的基础上，简化了参数整定，加快了系统响应速度，增强了系统的鲁棒性；本发明仅需通过实时检测的风轮角速度和风速，结合滑模—自抗扰控制器即可保证风机输出功率稳定，对动态学要求较低，具有计算迅速、控制精确、反应灵敏等优点，适用范围广，结果稳定可靠。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明方法的流程示意图。

图2为风能利用系数C

图3为传统ADRC的控制结构原理图。

图4为SMC-ADRC的控制结构原理图。

图5为本实施例1中PI与SMC-ADRC控制下的转速对比图。

图6为本实施例1中PI与SMC-ADRC控制下的C

具体实施方式：

一种永磁半直驱风力发电机组最大功率跟踪方法，设计新型控制函数替代滑模控制中常见的开关函数，将改进后的滑模控制与自抗扰控制相结合，用滑模控制的方法对自抗扰控制器中的非线性状态误差反馈模块和状态观测器模块进行改进，得到滑模自抗扰控制器，有效实现对永磁半直驱风力发电机组最大功率的跟踪。

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作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。

如图1所示为本方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

S1：建立永磁半直驱风电机组的数学模型；风力机通过一个增速齿轮箱与永磁同步发电机直接相连，将获得的机械能传输给永磁同步发电机，其中齿轮箱变比为k，风轮吸收的机械功率P

式中，P

风电机组叶轮上的气动转矩T

根据统计数据，永磁半直驱风电机组的风能利用系数C

由于在永磁半直驱风电机组MPPT控制系统中，桨距角β为0°，因此简化得到的C

如图2所示为风能利用系数C

在永磁半直驱风电机组中，传动系统的方程可以近似表达为

为了使控制更加简便，在这里假设：定子绕组三相对称分布，电磁对称，忽略温度等因素对永磁体磁链的影响。在此理想条件下，将永磁同步发电机在三相静止参考坐标系下的数学模型通过克拉克和派克变换转化为如下的数学模型：

电磁转矩T

由于永磁半直驱风电机组中电机多为隐极式，所以d、q轴电感相等，因此电磁转矩可表达为

式中：i

S2：建立永磁半直驱风电机组的自抗扰控制器模型；在永磁半直驱风电机组最大功率跟踪中的最佳叶尖速比控制策略中，采用i

将式(7)转化为如下形式

式中a(t)为总扰动，b为控制增益，具体表达式如下：

由上式可以看出扰动a(t)包含气动转矩、转动惯量、摩擦系数等信息；ADRC通过合理安排过渡过程，实现输入信号被实时跟踪，利用扩张状态观测器ESO估计扰动并进行补偿，提高系统的抗干扰能力；ADRC的原理就是利用ESO估计扰动，然后将其补偿，构造如下标准形式：

S3：建立永磁半直驱风电机组的滑模自抗扰控制器，用滑模控制的方法对自抗扰控制其中的非线性反馈控制律NLSEF和扩张状态观测器ESO进行改进，得到改进的滑模控制器。

自抗扰控制器分为三个部分：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性反馈控制律NLSEF，传统ADRC结构图如图3所示，滑模自抗扰控制是在自抗扰控制的基础上进行改进的，其中，TD沿用ADRC控制的公式，结合滑模控制SM针对ESO环节和NLSEF环节进行改进，因此改进后的滑模自抗扰控制包括TD、改进扩张状态观测器SM-ESO和改进非线性反馈控制律SM-NLSEF。

具体步骤如下：

S31：基于自抗扰控制，利用下述公式获取非线性跟踪微分器TD

其中，

式中：ω

S32：建立滑模SM-ESO，在传统ADRC中，扩张状态观测器ESO得到系统输出信号的跟踪信号和各阶导数信号,以及系统扰动估号来对扰动估计。将外部扰动和模型误差扩充为一个新的状态变量，根据ESO原理可得到如下方程

z

为减少可调参数，提高系统响应，利用滑模控制进行改进，将上述ESO改写为：

用Q(e

令误差方程为：

结合上式可得

构造第一滑模面：

s

式中，c为滑模面参数，且c>0。设计最优控制函数Q(e

Q(e

式中ε，q为可调增益参数，且ε、q>0。

S33：建立滑模SM-NLSEF，跟踪微分器TD和扩展状态观测器ESO分别产生跟踪信号和状态变量，非线性误差反馈控制器NLSEF是通过对以上两个参数的误差采用函数来求解控构，一般形式如下：

其中，q为控制器参数；u

将NLSEF与滑模控制相结合，将传统NLSEF改写为：

其中，i

构造滑第二模面：

s＝c

式中，c

选择l(e

最终可得，SMC-NLSEF的表达式为：

S4：基于S3建立的TD、SM-ESO、SM-NLSEF，得到改进的滑模自抗扰控制器SMC-ADRC，其控制系统结构图如图4所示。

实施例1：

在Matlab/Simulink对永磁半直驱风电机组中MPPT控制进行仿真。各项参数为风轮半径R为5m，空气密度ρ＝1.25kg/m3，永磁体磁链ψ

式中：v

图5、图6分别显示了利用PI控制及SMC-ADRC控制下的转速、风能利用系数的仿真结果。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。