摘要:讨论了变桨距风力发电系统在高风速时桨距控制问题。针对风力机系统的非线性,参数变化等特性,根据风力机机理,基于一定假设得到风力机在某一工况点线性模型,进而提出滑模变结构控制方案,充分利用变结构控制对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性的优点。对系统仿真时再加入系统的不确定性,仿真结果表明所提出控制方案的有效性,系统具有很好鲁棒性。
关键词:风力发电系统;滑模变结构控制;变桨距
随着全球性的常规化石类能源日益短缺和人类环保意识的增强,风能作为一种可再生、绿色能源越来越受到人们关注。但是,风能是一种不可控的过程性能源,风能转换过程实质上是一个由风速引起的随机过程。并且,风力发电系统中的参数有的并不精确可知,实际运行过程中还会遇到阵风,风切变,负载变化等,如何在参数不能精确可知的情况下使所设计的控制器具有简单的算法和较强的鲁棒性以及优良的动态品质,是风力发电系统的一个难题,同时也是一个有价值的控制问题。
滑模变结构控制理论在解决上面提出的问题方面具有许多独特的优点。滑模变结构控制本质是一种不连续的开关型控制,它要求频繁、快速地切换系统的控制状态[1]。此类系统具有极强的鲁棒性,即对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性,且快速响应、设计简单、易于实现。本文讨论了滑模变结构控制在变桨距风力发电系统中的运用,并用一个实际系统仿真验证,结果良好。
由于气动,机械等方面的复杂机理,使得大型风力机的建模非常困难。目前,需要在相当多假设条件下,才能得到系统的复杂非线性模型。为了能够设计控制系统中的控制器,一般简化建模条件,得到近似的线性模型。现代系统辨识理论的发展提供了建立风力机系统模型的另一条途径。在某一工况点附近采集系统的输入输出数据,应用随机系统辨识的方法,获得系统的辨识模型。这样的辨识模型是随机系统在工作点附近的良好近似,对于风力机这样有着较强随机扰动的非线性系统,这是得到较为准确的数学模型的有效方法之一。
变桨距风力系统可分为三个子系统:气动设备部分、能量传递装置、同步发电机与整流逆变部分,结构如图1所示。气动设备输入部分包括风速V、叶片桨距角β及转子转速ωr,并产生一个输出:转子转矩Tr;采用伺服机构可以调节叶片桨距角β;能量传递装置包括风轮及其传动轴、齿轮箱等;同步电机带整流桥(rectifier)、DC2link以及逆变器(inverter)并网运行。现代大型风力发电机主要是变速风力发电机,其桨距角若可调节就可以实现多变量控制[2]。变桨距风力发电机与定桨距风力发电机相比具有在额定风速点以上输出功率平稳的特点。为了使风力发电机在风速等不确定性的作用下输出功率仍然具有鲁棒性,本文采用滑模变结构鲁棒控制方案对变桨距系统进行控制。下面只对风力发电机的变距系统讨论。
由风力机运行原理[3],对于风力发电系统的状态表达,可以用桨距角β作为系统的一个可控确定性输入信号,风速V可以看作系统的不可控输入。
采用滑模变结构控制,系统的动态品质由切换面的参数决定,而与系统参数的摄动,干扰的影响无关。仿真结果也证明,在变桨距风力发电系统的高风速桨距控制中,多变量滑模变结构控制能够在参数不确定的情况下保证系统的稳定性,满足风力系统的最大功率限制要求,兼顾了系统的动态特性和鲁棒性要求,具有很高的使用价值。
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