風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)非線性自適應(yīng)魯棒控制

袁艷芳，張 曦，張京軍，高瑞貞

(河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

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風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)非線性自適應(yīng)魯棒控制

袁艷芳，張 曦，張京軍，高瑞貞

(河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

針對風(fēng)力發(fā)電機組在外界不定因素干擾下穩(wěn)定性差的問題，通過自適應(yīng)魯棒控制方法，對風(fēng)機功率輸出穩(wěn)定追蹤問題進行了研究和驗證。建立了具有不確定項的非線性數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)魯棒自調(diào)節(jié)的方法設(shè)計自適應(yīng)律和控制器。實驗證明風(fēng)機系統(tǒng)在參數(shù)變化或受到外界干擾影響時，所設(shè)計的自適應(yīng)控制器能使系統(tǒng)快速地追蹤到期望曲線且比PID控制的精度高。

變槳系統(tǒng)；追蹤控制；魯棒自適應(yīng)控制；控制器；風(fēng)力發(fā)電機

因PID控制在結(jié)構(gòu)和原理的設(shè)計上有著簡單、易懂等優(yōu)點，在風(fēng)機的實際控制中得到了普及應(yīng)用，PID控制是對線性系統(tǒng)的控制，而實際風(fēng)力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)復(fù)雜且由風(fēng)切變、塔影效應(yīng)等引起的隨機干擾，使系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性特性，PID控制無法滿足控制精度要求，因此，設(shè)計對風(fēng)機系統(tǒng)參數(shù)未知或受到外界干擾時控制系統(tǒng)能適應(yīng)對象和擾動動態(tài)特性變化的自適應(yīng)魯棒控制器很重要。為了實現(xiàn)風(fēng)機的精確控制，國內(nèi)外不少學(xué)者對風(fēng)機非線性控制系統(tǒng)進行了研究，如文獻[1]引入了滑?？刂破?，滑?？刂茖ο到y(tǒng)的不確定因素和隨機噪聲有有效的抑制作用，且對風(fēng)機功率控制有很好的調(diào)節(jié)性能，但是滑模系統(tǒng)只適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知的情況；文獻[2]通過引入級聯(lián)式非線性控制方法對葉輪轉(zhuǎn)速進行追蹤控制，實現(xiàn)了對功率的最優(yōu)控制，但抗干擾能力不強；還有文獻通過引入自尋優(yōu)、變結(jié)構(gòu)的方法克服系統(tǒng)參數(shù)不確定或受干擾影響的因素，實現(xiàn)對風(fēng)機的優(yōu)化控制。

在考慮外界干擾和未知參數(shù)時，對風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的變槳部分建立非線性數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了能根據(jù)自身參數(shù)估計系統(tǒng)未知參數(shù)且實現(xiàn)對期望曲線追蹤的自適應(yīng)魯棒控制算法。實驗驗證顯示所設(shè)計的控制器能滿足精度要求。

1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型

圖1 變槳調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

根據(jù)Betz理論，氣流流過理想風(fēng)輪時最大的理論功率為0.593，但由于存在氣流摩擦、葉片和機組振蕩等能量，實際風(fēng)能利用可表示為

(1)

風(fēng)機的啟動轉(zhuǎn)矩是風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳距角之間的非線性函數(shù)，在穩(wěn)定運行的某一點處近似線性函數(shù)可表示為[4]

(2)

變槳節(jié)制機構(gòu)在運行過程中的動態(tài)變化可表示為[5]

(3)

式中，βr為設(shè)計的控制機構(gòu)輸入量；τ為時間常量。

急性胃腸炎是急腹癥中的常見類型，近年來隨著生活節(jié)奏的加快及飲食結(jié)構(gòu)的改變使得急性胃腸炎的發(fā)生率逐年增長，臨床上常表現(xiàn)為發(fā)熱、腹痛、嘔吐等癥，若未進行及時治療，將可能導(dǎo)致長狹窄、肛管炎、結(jié)腸癌等并發(fā)癥，給患者的生命安全帶來極大的威脅[1-2]。針對急性胃腸炎目前臨床上常采用復(fù)方嗜酸乳桿菌、奧美拉唑等藥物來調(diào)節(jié)腸道菌群、抑制病菌繁殖、保護胃黏膜等方式來緩解患者的臨床癥狀，盡管具有一定成效，但單獨應(yīng)用臨床療效常不盡人意 [3-4]。本研究選取2015年8月—2017年8月我院600例急性胃腸炎患者為研究對象，探討復(fù)方嗜酸乳桿菌聯(lián)合奧美拉唑在急性腸胃炎治療中的應(yīng)用效果，現(xiàn)報告如下。

圖2 風(fēng)機的傳動模型

圖2中，Jr，Jg表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Ta表示風(fēng)輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m；Tg為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；ωr，ωg為風(fēng)輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rad/s；θr為轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角；Br，Kr，Bg，Kg為傳動鏈的阻尼和剛度；JM，JF表示傳動系統(tǒng)低速側(cè)主軸和尾旋部分的轉(zhuǎn)動慣量。

分析轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并結(jié)合式(2)、(3)，可建立數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中，J包含風(fēng)機的全部轉(zhuǎn)動慣量，J=Jr+JM+n2(JF+Jg)；Kt=Kr+n2Kg；n為齒輪箱傳動比，可以看出整個風(fēng)機的轉(zhuǎn)動慣量具有不確定性。

動態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型可以表示為如下的非線性模型[4]

(5)

2 自適應(yīng)魯棒控制的設(shè)計

自適應(yīng)控制是一種有自助調(diào)節(jié)能力的控制方法，能調(diào)節(jié)自己的參數(shù)來跟蹤擾動和系統(tǒng)動態(tài)特性的改變，魯棒控制是指系統(tǒng)在運行過程中遇到外界干擾時仍能保持一些性質(zhì)的能力，風(fēng)機控制系統(tǒng)中會受到外界的干擾及參數(shù)的不確定性使系統(tǒng)表現(xiàn)出強烈的非線性，對于這種節(jié)制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)魯棒控制可達到很精準的控制要求。

由于傳動系統(tǒng)中所包含的項具有不確定性，因此，非線性不確定系統(tǒng)可以描述為[6]

(6)

式中，u(t)為控制系統(tǒng)輸入信號；Δ為包括干擾和模型不確定部分的總的不確定項。

對于非線性系統(tǒng)，假設(shè)不確定參數(shù)J的上下界定義為J∈Ω={J:0

假設(shè)不確定項Δ有界，表示為

定義滑模函數(shù)[7]為

(7)

式中，e=θr-θd表示位置跟蹤誤差；θd為期望角度；c>0。

系統(tǒng)控制律設(shè)計為

(8)

(9)

將式(9)進行求導(dǎo)計算，且將式(8)代回計算得

(10)

因此，取自適應(yīng)律為

(11)

將式(8)、式(11)代入式(10)并對其分析可得

(12)

3 仿真驗證

假設(shè)在風(fēng)速改變時，風(fēng)機變槳控制器的目標槳距角按圖3所示正弦函數(shù)變化。當系統(tǒng)參數(shù)未知或有干擾時，為驗證風(fēng)機輸出功率的自適應(yīng)魯棒性，控制器通過控制槳距角來追蹤期望函數(shù)。

η=D+0.01=1.01。采用式(8)自適應(yīng)魯棒控制律，式(11)自適應(yīng)律取，仿真結(jié)果如圖3所示。圖中M為自適應(yīng)控制和PD控制的選擇條件；N表示自適應(yīng)律的取值條件。

圖3 基于自適應(yīng)律式(11)的仿真(M=1，N=1)

如果自適應(yīng)律取式(12)，則驗證結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于自適應(yīng)律式(12)的仿真(M=1，N=2)

從仿真中可以看出自適應(yīng)魯棒控制可以很快的追蹤到期望信號，追蹤誤差很快趨于0，但是自適應(yīng)估計參數(shù)并未收斂于真實值，這是由于位置指令信號未能達到“持續(xù)激勵”條件。為了證明自適應(yīng)魯棒控制的優(yōu)越性，下面對PD控制實驗驗證，取kp=100,kd=50，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于PD控制的位置追蹤仿真(M=2)

仿真結(jié)果表明PD控制也能快速追蹤到期望

信號，但是參數(shù)估計出現(xiàn)了平頂現(xiàn)象，說明PD控制不能達到控制精度要求，綜上，自適應(yīng)控制魯棒控制能更好的實現(xiàn)精度要求。

4 結(jié) 論

本研究對風(fēng)力機PID線性控制不能滿足實際非線性系統(tǒng)運行要求的問題進行了改進，通過建立非線性數(shù)學(xué)模型，研究出自適應(yīng)魯棒控制器，通過仿真表明自適應(yīng)魯棒控制算法能通過調(diào)節(jié)控制器內(nèi)部參數(shù)完成對風(fēng)機系統(tǒng)未知參數(shù)的估計，即使受到外界干擾，系統(tǒng)也能很快地追蹤到期望曲線并且控制精度要高于PD控制；本研究下一步將針對實際風(fēng)機運行情況進行研究，使理論設(shè)計更有實際意義。

[1]BELTRAN B， AHMED-ALI T， BENBOUZID M E H. High-order sliding-mode control of variable-speed wind turbines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56(9)： 3314- 3321．

[2]BELTRAN B， AHMED-ALI T， BENBOUZID M E H. Sliding mode power control of variable-speed wind energy conversion systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2008， 23(2)： 551- 558．

[3]吳忠強， 謝建平. 風(fēng)力發(fā)電機自適應(yīng)魯棒保性能控制器設(shè)計[J]. 振動與沖擊， 2013， 32(15)： 95- 110．

[4]何真， 龔春英. 變速風(fēng)力發(fā)電機組的知識贏滑模變槳距控制[J]. 計算機仿真， 2013， 30(6)： 121- 124．

[5]劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2011．

[6]崔雙喜， 王維慶. 風(fēng)力機獨立槳距角魯棒自適應(yīng)跟蹤控制[J]. 中國電力， 2015， 48(6)： 14- 19．

(責任編輯 高 瑜)

Nonlinear Adaptive Robust Control of Wind Turbine for Pitch System

YUAN Yanfang, ZHANG Xi, ZHANG Jingjun, GAO Ruizhen

(Hebei University of Engineering, Handan 056038, Hebei, China)

In view of the problem of poor stability of wind turbine in the case of external interference, the adaptive robust control method is used to study the power output stable tracking problem of variable-speed wind turbine. The nonlinear mathematical model with uncertain terms is established and the adaptive law and the controller are designed by using the method of adaptive robust control. The experiments show that the designed adaptive controller enables the system to quickly track the expected curve and has high accuracy than PD control when the system parameter is changed or the system is interfered by external factor．

variable-speed system; tracking control; adaptive robust control; controller; wind turbine

2016- 05- 14

袁艷芳(1990—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略．

TM614

A

0559- 9342(2016)09- 0104- 04