專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的核心，直接影響著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)受到風(fēng)速的不確定性以及負(fù)載擾動(dòng)等環(huán)節(jié)的影響，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)而言，控制器達(dá)到滿意的控制效果，需要達(dá)到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，并能跟蹤目標(biāo)參考曲線使系統(tǒng)達(dá)到理想的電功率輸出。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和槳距控制系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)主要使用PID控制器，它通過把系統(tǒng)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和一個(gè)預(yù)先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，然后把比較后得出的差值用控制算法計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值可以讓系統(tǒng)的輸出達(dá)到目標(biāo)值。PID控制器》= !>+ K1Ie+ Ka #應(yīng)用比例KP，積分K1和微分Kd三種控制規(guī)律，
Jat
根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和參考值狀態(tài)的差值來調(diào)整輸入值得到預(yù)期的控制效果。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的PID控制器，工程設(shè)計(jì)人員需要對(duì)其控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。放大比例環(huán)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差變小，但比例過大會(huì)使系統(tǒng)的振蕩次數(shù)會(huì)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，甚至變得不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)可消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，但是會(huì)使系統(tǒng)的反應(yīng)速度變慢。微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)這些參數(shù)需要綜合考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)需求,進(jìn)行逐步的調(diào)節(jié)。PID參數(shù)調(diào)節(jié)方法一般有兩大類一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，按照對(duì)數(shù)頻率特性或者根軌跡特性來確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行。這些PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法一直以來都需要在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和修改，工作量大，耗時(shí)比較長(zhǎng)，并且參數(shù)以及圖形之間沒有精確直接的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，大都需要依靠工程設(shè)計(jì)人員以自己的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在一定的誤差和不確定性，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來不便和困難。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)，能夠直接給風(fēng)機(jī)輸入最優(yōu)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)輸出對(duì)目標(biāo)參考曲線的跟蹤，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能。為達(dá)此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng),包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)依次連接，其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)一步包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器和線性化模型處理器，最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)一步包括最優(yōu)控制輸入計(jì)算器、變流器和變槳電機(jī)，系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)進(jìn)一步包括狀態(tài)更新器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器輸出端與線性化模型處理器的輸入端連接，線性化模型處理器的輸出端與最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸入端連接，最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸出端分別與變流器、變槳電機(jī)和狀態(tài)更新器連接。采用了本實(shí)用新型的技術(shù)方案，替代了 PID控制器，直接給風(fēng)機(jī)輸出最優(yōu)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)輸出對(duì)目標(biāo)參考曲線的跟蹤，對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能有重要意義。
圖I是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中最優(yōu)控制輸入計(jì)算器原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。圖I是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)I、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)2和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)依次連接。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)一步包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器101和線性化模型處理器102，最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)一步包括最優(yōu)控制輸入計(jì)算器201、變流器202和變槳電機(jī)203，系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)進(jìn)一步包括狀態(tài)更新器301。風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器輸出端與線性化模型處理器的輸入端連接，線性化模型處理器的輸出端與最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸入端連接，最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸出端分別與變流器、變槳電機(jī)和狀態(tài)更新器連接。本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)是首先在風(fēng)里發(fā)電機(jī)上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和槳距角信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和記錄。測(cè)量出的信號(hào)在傳遞給線性化模型處理器，通過內(nèi)置的仿真計(jì)算軟件，根據(jù)具體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型進(jìn)行線性化，得到風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的線性化模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部分的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，包括風(fēng)能特性，風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性，傳動(dòng)鏈系統(tǒng)特性，發(fā)電機(jī)特性等，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)高階的非線性系統(tǒng)，直接對(duì)這個(gè)非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)比較困難。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器和線性化模型處理器，可以建立起線性化模型，進(jìn)而得出最優(yōu)控制輸入信號(hào)。最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)是首先通過最優(yōu)控制輸入計(jì)算器是根據(jù)最優(yōu)控制理論，對(duì)于以狀態(tài)空間形式//〃,y = Cx+Du表示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組線性系統(tǒng)，控制器的性能指標(biāo)函數(shù)可表示為系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的線性二次型函數(shù)。該線性二次函數(shù)的最優(yōu)解可以表示成最小化性能指標(biāo)函數(shù)的解析表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)求解過程的規(guī)范化，并可以計(jì)算出最優(yōu)控制參數(shù)K和最優(yōu)控制輸入u=Kx，然后將最優(yōu)輸入信號(hào)傳遞給變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制或者傳遞給變槳電機(jī)進(jìn)行槳距的控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和對(duì)目標(biāo)參考曲線的快速跟蹤等多項(xiàng)性能指標(biāo)，而且主要的數(shù)學(xué)軟件都為該控制器的實(shí)驗(yàn)和仿真提供了平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)控制器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方便。系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)是首先在當(dāng)前時(shí)刻，將根據(jù)初始狀態(tài)計(jì)算得出的最優(yōu)控制輸入信號(hào)傳遞給系統(tǒng)。到了下一時(shí)刻，用系統(tǒng)狀態(tài)更新器通過內(nèi)置軟件將下一時(shí)刻的狀態(tài)更新作為初始狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算得出下一時(shí)刻的最優(yōu)控制輸入傳遞給系統(tǒng)，以此往后類推，形成了一個(gè)狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)中，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角信號(hào)，然后由線性化模型處理器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè) 置，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和槳距控制系統(tǒng)工作時(shí)的風(fēng)速范圍內(nèi)進(jìn)行線性化，得到在各個(gè)風(fēng)速下的線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型士 = — Bu，y=Cx+Du這些狀態(tài)空間模型的輸入量U為風(fēng)速，槳距角控制量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制量，輸出量I為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角，X為風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)狀態(tài)，A、B、C和D為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣。最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)中，由最優(yōu)控制輸入計(jì)算器對(duì)建立起的線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，定義二次型函數(shù)/=Jo {yTy + Ut Ru)作為性能指標(biāo)函數(shù)，目的是通過該性能指標(biāo)函數(shù)計(jì)算出最優(yōu)控制輸入，來減小系統(tǒng)輸出誤差，以達(dá)到系統(tǒng)誤差和控制能量綜合最優(yōu)的目的。性能指標(biāo)函數(shù)J中第一項(xiàng)yTy表示在系統(tǒng)工作過程中對(duì)系統(tǒng)輸出向量y的要求和限制，用來約束控制過程中的誤差，保證控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和終端輸出狀態(tài)的準(zhǔn)確性。性能指標(biāo)函數(shù)J中弟_■項(xiàng)uTRu表不系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中對(duì)控制量輸入的約束和要求，其中yT和uT中的T表示對(duì)y和u取矩陣的轉(zhuǎn)置，u為最優(yōu)控制輸入，矩陣R為根據(jù)控制輸入要求設(shè)定的正定矩陣，其數(shù)值用于反映將輸出調(diào)整到參考目標(biāo)的輸入要求和所需控制量輸入大小，該項(xiàng)可以用來限制u的幅值及平滑性，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，而且對(duì)限制控制過程的能量消耗也起到重要作用，從而保證系統(tǒng)的能效性。最優(yōu)控制輸入設(shè)計(jì)的目標(biāo)是計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)控制輸入U(xiǎn)，使性能指標(biāo)函數(shù)J達(dá)到最小，從而對(duì)輸出I和控制量u進(jìn)行約束和限制，得到最優(yōu)控制輸入，達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定收斂和跟蹤目標(biāo)參考曲線的要求。該最優(yōu)控制輸入可表示為最小化性能指標(biāo)函數(shù) min ,./= I {yry+ uTRu)
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O當(dāng)系統(tǒng)是可控的時(shí)候，由于性能指標(biāo)函數(shù)的所包括的時(shí)間范圍是從零時(shí)刻開始到無窮大，根據(jù)貝爾曼最優(yōu)理論，該最優(yōu)控制輸入存在并且唯一，最優(yōu)控制輸入為U=Kx。此時(shí)的最優(yōu)控制參數(shù)K可以通過公式K=- (BTSB+R) ^1BtSA計(jì)算得出，其中的S為黎卡提方程[0037]AtSA-S-AtSB (BtSB+R) _1BtSA+CtC=0的唯一正定對(duì)稱解。該最優(yōu)控制輸入u包含了當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制輸入以及在當(dāng)前時(shí)刻對(duì)未來時(shí)刻最優(yōu)控制輸入的估計(jì)。然后將該最優(yōu)控制輸入信號(hào)傳遞給變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制或者傳遞給變槳電機(jī)進(jìn)行槳距的控制，實(shí)現(xiàn)控制效果，如圖2所示。系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)中，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)在當(dāng)前時(shí)刻的初始狀態(tài)X以及計(jì)算得出的控制器參數(shù)值K，得出當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制輸入。到了下一時(shí)刻，用系統(tǒng)狀態(tài)更新器更新下一時(shí)刻的初始狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算出下一時(shí)刻的最優(yōu)控制輸入，以此往后類推，形成了一個(gè)狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。采用該最優(yōu)控制輸入的閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定收斂的，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，并且系統(tǒng)輸出能夠準(zhǔn)確達(dá)到參考目標(biāo)值。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用的PID控制器《=需要對(duì)三個(gè)參數(shù) Kp, K1, Kd進(jìn)行反復(fù)的逐個(gè)調(diào)節(jié)，而本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
所設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制器可以直接給風(fēng)機(jī)輸出最優(yōu)控制信號(hào)，執(zhí)行轉(zhuǎn)矩或者槳距控制，并且能夠滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和對(duì)目標(biāo)曲線的準(zhǔn)確跟蹤，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)在各個(gè)風(fēng)速下的控制效果。以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)依次連接，其中， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)一步包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器和線性化模型處理器， 最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)一步包括最優(yōu)控制輸入計(jì)算器、變流器和變槳電機(jī)， 系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)進(jìn)一步包括狀態(tài)更新器， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量傳感器輸出端與線性化模型處理器的輸入端連接，線性化模型處理器的輸出端與最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸入端連接，最優(yōu)控制輸入計(jì)算器的輸出端分別與變流器、變槳電機(jī)和狀態(tài)更新器連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)控制系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)處理子系統(tǒng)、最優(yōu)控制信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)更新子系統(tǒng)依次連接。采用了本實(shí)用新型的技術(shù)方案，替代了PID控制器，直接給風(fēng)機(jī)輸入最優(yōu)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)輸出對(duì)目標(biāo)參考曲線的跟蹤，對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能有重要意義。
文檔編號(hào)F03D7/00GK202545109SQ20112031461
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者吳行健, 孫黎翔, 潘磊, 秦明, 紀(jì)國(guó)瑞 申請(qǐng)人:國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司