[發明專利]一種基于風速估計的風力發電機最大功率跟蹤無傳感器魯棒控制方法

有效

• 申請號: 202011386615.4
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112731805B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 肖玲斐;馬磊明;陳勇興;黃欣浩;孟祥碩
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明針對風力發電機最大功率跟蹤問題，公開了一種基于風速估計的無傳感器智能二階積分滑?？刂品椒āＭㄟ^控制永磁同步電機來調節風力發電機的轉速，實現風能的最大捕獲。首先，設計了一種用于速度環和電流環控制的智能二階積分滑模控制器，該控制器收斂速度快，魯棒性強并能有效抑制抖振。其次，提出了一種基于直接滑模觀測器和擴展高增益觀測器的新型級聯耦合觀測器來估計轉子的轉速和位置。此外，采用組合徑向基函數神經網絡對風速有效值進行估計。最后，通過仿真驗證了該方法在考慮模型不確定性和外部干擾情況下的有效性。

技術領域

本發明屬于風力發電機魯棒控制技術領域，特別涉及無傳感器風力發電機的風能最大功率跟蹤控制。

背景技術

隨著能源消耗的增加和環境的惡化，清潔可持續能源的利用越來越受到重視。當今世界正面臨著能源短缺、環境污染和溫室氣體排放的巨大危機。近年來，風能作為一種清潔環保的可再生能源發展迅速。風能具有隨機性和不穩定性，是一種不可控的能源。在風力發電過程中，風力發電機是風能轉換系統的主體。風力發電機是一個高度非線性的系統，其控制越來越受到重視，最大功率跟蹤和降低機械負載是風力發電機的兩個重要研究方向。

風力發電機的控制需要精確的風速。目前，風速測量方法主要有風速傳感器和無傳感器風速測量方法。由于風速傳感器自身的機械結構和設計過程限制，很難保證風速的實時準確測量。特別是在低風速地區的風速測量中，大慣性矩的接觸式風速傳感器往往對低風速不敏感。無傳感器風速測量是未來的發展方向。其中包括采用卡爾曼濾波和牛頓算法被用來觀測風速的有效值，同時T-S模型也被用于觀測風速的有效值。上述方法雖然有效，但計算量大。

永磁同步電動機得到了廣泛的應用和研究。永磁同步電動機的高性能控制依賴于準確的轉子信息。然而，普通位置傳感器制造成本高、體積大、抗干擾能力差，給控制系統帶來了穩定性問題。無位置傳感器控制技術是解決這些問題的重要途徑。一般而言，無傳感器控制策略主要包括：高頻信號注入法、直接轉矩控制法和觀測器法?；谟^測器的永磁同步電機控制策略的研究與其他方法相比受到了廣泛關注。研究人員曾提出具有自適應律和擴展狀態觀測器的滑?？刂坪突诨パa滑模控制方法的干擾觀測器，并通過重構負載擾動來提高跟蹤精度。但這些方法中，轉子信息仍由物理傳感器測量，從而降低了控制系統的可靠性。此外，這些方法沒有考慮模型的不確定性和外部干擾，使得滑?？刂频聂敯粜詢瀯蓦y以凸顯。綜上所述，在永磁同步電機的控制策略設計中，廣泛應用了擾動觀測器、高增益觀測器、模型參考自適應、擴展卡爾曼濾波器和滑模觀測器。其中，滑模變結構具有魯棒性強、不依賴于精確數學模型等優點，逐漸成為無位置傳感器控制策略的主要研究方向。

傳統的滑模觀測器是通過估計反電動勢來獲得轉子位置和轉速的。在低速區，反電動勢值很小，導致基于反電動勢的估計值不準確。因此，傳統的滑模觀測器不適用于低速運行的電機。在此基礎上，許多改進的滑模觀測器正在研究中。其中包括自適應滑模觀測器、模糊滑模觀測器等。以上所述控制策略不包括低通濾波器，而是利用反正切函數來獲得轉子信息。采用反正切法時，噪聲和諧波的存在會降低觀測精度。

高階滑?？刂剖且环N既能保持傳統滑?？刂启敯粜杂帜芟墩竦男路椒?。通過將系統輸出控制變量的不連續項隱藏在積分符號后面，可以得到連續的平滑信號，從而在不犧牲魯棒性的前提下消除抖振。高階滑模控制是滑模控制理論的一個重要發展，已經廣泛應用于機器人控制、飛機制導與控制以及各種電機及動力系統控制等非線性控制領域。高階滑?？刂瓶煞譃槎A滑?？刂坪腿我怆A滑?？刂?。二階滑?？刂埔蚱浣Y構簡單、所需信息少而得到廣泛應用。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種具有高可靠性和強魯棒性的風力發電機最大功率跟蹤魯棒控制方法。

技術方案：一種基于風速估計的風力發電機最大功率跟蹤無傳感器魯棒控制方法，包括如下步驟：

步驟1：分別建立永磁同步電機和風力發電機的數學模型以及不確定模型；