[發明專利]一種基于負載的低風速風力機雙積分滑模控制方法

在審

• 申請號: 202110085891.5
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112879217A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 夏亞平;劉培
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 顏昌偉

本發明公開了一種基于負載的低風速風力機雙積分滑模控制方法，通過控制器、風力機系統和發電機組成的非線性系統實現，采用發電機電磁轉矩和低風速轉矩之間的標準差作為轉矩跟蹤誤差，加入雙積分作用加速對于轉矩的跟蹤，以發電機的電磁轉矩作為發電機的輸出來控制風力機實際的轉矩。本發明以發電機的電磁轉矩作為發電機的輸出來控制風力機實際的轉矩，這樣可以提高風能捕獲效率，并盡可能的降低傳動鏈的載荷問題，減小發電機電磁轉矩的波動。

技術領域

本發明涉及風力機控制領域，特別涉及一種基于負載的低風速風力機雙積分滑模控制方法。

背景技術

近年來，隨著高風速的理想風電資源的開發耗盡，擁有巨大風能總量和高利用率的低風速區逐漸成為有力的發展點。然而，高強度的湍流和復雜的風況使得低風速區的轉速跟蹤效果變差，傳動鏈上的載荷也對發電機的壽命起著至關重要的作用。風力機最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制追求高風能捕獲效率，從而獲取更多的風能，再轉化成電能。低風速風力機MPPT控制有很多種經典控制方法，其中葉尖速比法有著良好的控制效果。

經研究發現，葉尖速比法是通過實時監測風速，計算出響應的葉尖速比最佳轉速值，在通過調整發電機轉矩來實現調速，使得風力機獲取最大風能。但是，該控制方法具有局限性，在實際上的搜索轉速與最大風能捕獲但存在誤差。并且該控制方法取得良好的跟蹤效果使得發電機的電磁轉矩產生了劇烈的波動，造成較大的傳動鏈載荷，影響風力機的使用壽命。

發明內容

為了解決上述技術存在的問題，本發明提供一種基于負載的低風速風力機雙積分滑模控制方法，能夠在提高風能捕獲效率的同時，有效的降低傳動鏈載荷，減小發電機電磁轉矩的波動。

本發明解決上述技術問題的技術方案是：一種基于負載的低風速風力機雙積分滑模控制方法，通過控制器、風力機系統和發電機組成的非線性系統實現，采用發電機電磁轉矩和低風速轉矩之間的標準差作為轉矩跟蹤誤差，加入雙積分作用加速對于轉矩的跟蹤，以發電機的電磁轉矩作為發電機的輸出來控制風力機實際的轉矩，其中，發電機電磁轉矩參考值式中，w_g為發電機的轉速，k_opt為最佳轉速時的比例常數，n_g為傳動比。，式中為最佳葉尖速比，R為風輪的半徑，C_pmax為風力機運行時風能利用系數最大值。

最佳葉尖速比式中v為風速，w_r為風力機的風輪轉速，通過卡爾曼濾波和牛頓-拉夫遜的方法，獲取到估計風速v。

根據發電機的電磁轉矩和低速軸的轉矩，設計風力機控制率，具體步驟為：

步驟A、引入雙積分作用，定義轉矩跟蹤誤差e₁＝T_opt-T_g，e₂＝∫(T_opt-T_g)dτ，e₃＝∫{∫T_opt-T_g}dτ；

步驟B、定義滑模面s＝a₁e₁+a₂e₂+a₃e₃，a₁、a₂、a₃是常數。

步驟C、可得控制器的控制率為：

設計滑模面：

選取李雅普諾夫函數，其步驟為：