[發明專利]一種帶有尾緣襟翼的大型變槳風力機控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 201710729885.2
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107762730B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 張文廣;韓越;劉瑞杰;劉吉臻;曾德良;牛玉廣;房方;楊婷婷;胡勇
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F03D7/04
• 分類號: F03D7/04
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種帶有尾緣襟翼的大型變槳風力機控制系統的控制方法，其特征在于，所述帶有尾緣襟翼的大型變槳風力機控制系統包括：帶有尾緣襟翼的風力機葉片、傳感器模塊、轉矩觀測器和控制系統；

帶有尾緣襟翼的風力機葉片包括：腹板、3個變襟翼電機、3個主動軸、3個從動軸、3個傳動帶、3個尾緣襟翼和3個變槳距電機；

傳感器模塊包括：3個分別安裝在所述大型變槳風力機三個葉片根部的迎風側的應變傳感器和6個安裝在所述大型變槳風力機三個葉片的中部及葉尖處的熱風式風速傳感器；應變傳感器與第一低通濾波器、A/D模數轉換器和嵌入式系統按順序依次連接，用于檢測帶有尾緣襟翼的風力機葉片根部的應變信號；熱風式風速傳感器與第二低通濾波器、A/D模數轉換器和嵌入式系統按順序依次連接，用于估算風輪平面的風速；

控制系統包括：電磁屏蔽機柜、A/D模數轉換器、D/A數模轉換器、嵌入式系統、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第五低通濾波器、RS485接口和上位機；嵌入式系統通過RS485接口與上位機相連，用于監控控制系統的運行情況、接受上位機命令并且控制系統內組件之間的信號傳輸；電磁屏蔽機柜安裝于控制系統外部，用于屏蔽控制系統外部的電磁干擾；

所述帶有尾緣襟翼的大型變槳風力機控制系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟一：進行帶有尾緣襟翼的大型變槳風力機實驗測試及系統模型辨識，其步長為μ；

步驟二：控制帶有尾緣襟翼結構的風力機葉片的槳距；

步驟三：控制帶有尾緣襟翼結構的風力機葉片的襟翼；

步驟四：根據步驟三可得針對葉輪轉矩及葉根疲勞載荷的即時控制量，分別為襟翼角輸入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)，其被控量分別為轉矩觀測器得到的估計轉矩與對應葉片1、葉片2、葉片3的應變傳感器信號值，根據襟翼角輸入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)及相應優化指標可得葉片1、葉片2、葉片3的三襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)；

所述步驟一中包括：

(1)在襟翼角為0°的情況下，通過實驗測試確定槳距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}時，風力機輸出額定功率時的風速大小，記為v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，下標0,1,...,20表示槳距角的大?。?/p>

(2)在槳距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}時，采用與槳距角相對應的風速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，三襟翼角采用同一輸入信號控制，將襟翼角的控制信號與葉輪轉矩信號作為輸入輸出，分別使用系統辨識方法得到低階狀態空間模型集SS₁＝{SS_1,0°,SS_1,1°,...,SS_1,20°}；轉矩觀測器用來獲得葉輪轉矩的估計值，轉矩觀測器與第三低通濾波器、A/D模數轉換器和嵌入式系統按順序依次連接；

(3)在槳距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}時，采用與槳距角相對應的風速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，將單襟翼角的變化量與其相對應的應變傳感器信號作為輸入輸出信號，使用系統辨識方法得到低階狀態空間模型集SS₂＝{SS_2,0°,SS_2,1°,...,SS_2,20°}，其他兩個襟翼角與對應應變傳感器的輸入輸出低階狀態空間模型集可使用該低階狀態空間模型集SS₂；

所述步驟二中包括：

(1)使用以下方式進行模糊控制器設計：

i在襟翼角為0°的情況下，以風速v作為輸入量，槳距角α作為輸出量，將輸入量根據模糊關系進行分類，得到隸屬度函數和模糊規則；

ii以估計風速v'作為模糊控制器的輸入變量，選擇隸屬度函數進行模糊化，再根據模糊規則進行反模糊化，即可得到槳距角邏輯控制量α'_v；

(2)在風力機實際運行過程中，估計風速v'為其中，分別為六個熱風式風速傳感器的測量值；將估計風速v'作為模糊控制器輸入變量，得到槳距角邏輯輸出量α'_v，為防止槳距角頻繁變動，將槳距角邏輯控制量α'_v進行四舍五入取整，即可確定槳距角實際控制量α_v；

所述步驟三中包括：

(1)單輸入單輸出系統的狀態空間方程為：

其中，A為系數矩陣，b為控制向量，c^T為輸出向量，x(k)為狀態變量，u(k)為輸入量，y(k)為輸出量，狀態空間模型為狀態空間模型集SS₁,SS₂中的狀態空間模型，可根據槳距角實際控制量a_v選擇；k時刻起，系統在M步系統輸入U(k)＝[u(k),...,u(k+M-1)]^T作用下未來P個時刻的系統輸出為：

Y(k)＝F_yx(k)+G_yU(k)

其中：

(2)k時刻起，為使系統在M步系統輸入u(k),...,u(k+M-1)作用下未來P時刻的輸出預測值y(k+i)接近給定期望值w(k+i),i＝1,…,P，同時抑制控制輸入劇烈變化，其性能指標為：

其中，W(k)＝[w(k+1),…,w(k+P)]^T為輸出期望值，Q_y,R_y是適當維數的輸出和控制加權矩陣，||...||₂為矩陣的2-范數；其最優解的解析表達式為：

即時控制量為

其中，為中間變量，其表達式為

(3)得到即時控制量后，將即時控制量輸出，進行下一步驟的計算；

所述步驟四中包括：

(1)系統的未來輸出變化為：

其中，將u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)代入，可得系統的未來輸出變化Y₁(k),Y₂₁(k),Y₂₂(k),Y₂₃(k)，歸一化后得到輸出變化向量

(2)控制量變化的優化指標為

其中，代表歸一化后的給定值向量；下標i指代風力機葉片標號，i＝1,2,3；Q_1i,Q_2i分別表示葉輪轉矩控制與葉根疲勞載荷控制的合適維數的權值矩陣；||...||₂為矩陣的2-范數；通過使優化指標最小的方式，即可得到風力機三葉片的襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)，作為控制量對葉輪轉矩及葉根疲勞載荷進行控制；

(3)若風力機未達到穩定狀態，則跳轉至步驟二中進行下一步長的控制計算；若風力機達到穩定狀態，則結束控制循環。