一种双风轮风电机组运行控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电控制技术领域，更具体的说是涉及一种双风轮风电机组运行控制方法。

背景技术

目前，主流风电机组均采用单风轮水平轴形式，其风能利用率较低，随着风电机组朝着大型化的方向发展，其核心部件的关键技术受到诸多限制，迫切需要更为高效的新型风电机组。

串列式双风轮风电机组拥有前后两个风轮同时转化风能，在提高风能利用率的同时更加提高了风场的空间利用率，降低发电成本，在提高装置效率上有极大的发展潜力。但其前、后风轮在运行时会影响彼此原本的流场分布，造成其运行效率的降低，运用计算流体力学方法定量分析前、后风轮的相互影响存在不及时、不经济、计算量大等缺点。

因此，针对双风轮风电机组在运行时前、后风轮相互影响，成为同行从业人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了一种双风轮风电机组运行控制方法，以解决双风轮风电机组在运行时前、后风轮相互影响，运行效率偏低的问题，提高系统的鲁棒性，充分发挥双风轮风电机组的高效风能转化能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种双风轮风电机组运行控制方法，所述双风轮风电机组为串列式双风轮风电机组，包含前、后两个风轮，所述方法包括以下步骤：

获取双风轮风电机组前、后风轮在当前风速下的气动数据；所述气动数据包括：转速及桨距角；

根据当前风速下的所述气动数据，以双风轮风电机组整体输出功率最大为目标，确定当前风速下双风轮风电机组前、后风轮的目标转速及桨距角；

建立前、后风轮传动链的基于状态空间的线性化模型；

基于所述线性化模型，引入状态观测器、干扰调节控制器及二次型调节器，设计前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器，实现对前、后风轮的控制。

进一步地，获取双风轮风电机组中前风轮的转速由前风轮发电机侧转速传感器反馈信号获得，后风轮的转速由后风轮发电机侧转速传感器反馈信号获得。

进一步地，获取双风轮风电机组中前风轮的桨距角由前风轮变桨系统传感器反馈信号获得，后风轮的桨距角由后风轮变桨系统传感器反馈信号获得。

进一步地，根据当前风速下的所述气动数据，以双风轮风电机组整体输出功率最大为目标，确定当前风速下双风轮风电机组前、后风轮的目标转速及桨距角；包括：

根据当前风速下的前风轮和后风轮各自的气动数据，设计各自最佳叶尖速比，确定各自的切入、切出及额定风速，设计前风轮和后风轮各自的单机级控制策略；

根据所述前风轮和后风轮各自的单机级控制策略，并结合前、后风轮各自的转速-转矩曲线，确定以双风轮风电机组整体输出功率最大为目标，不同风速下前、后风轮所对应的最佳目标转速及桨距角。

进一步地，建立前、后风轮传动链的基于状态空间的线性化模型；包括：

建立前、后风轮传动链的基于状态空间的线性化模型，表示形式为：

(1)式中，A、B、C、D分别为标准状态空间表示形式中的参数，Γ为扰动参数，

进一步地，引入状态观测器包括：

构建状态观测器的数学模型为：

(2)式中，

进一步地，引入干扰调节控制器包括：

将重构的干扰状态引入反馈增益中，来减小或抑制前、后风轮运行时对彼此的影响，引入干扰模型：

(3)式中，

构建干扰状态观测器数学模型为：

(4)式中，

构建估计误差的状态方程为：

其中，

进一步地，引入二次型调节器包括：

构建反馈法则：

u(t)＝Gx(t)+G

(6)式中，G为采用线性二次型调节控制器设计的反馈增益矩阵，G

进一步地，设计前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器，实现对前、后风轮的控制；包括：

结合公式(1)-(6)，构建前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器的状态空间方程，表示为：

调节干扰校正反馈增益G

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种双风轮风电机组运行控制方法，从扰动控制角度入手，设计合适的双风轮运行控制方法，减小或抑制前、后风轮在运行时的相互影响，在工程中较易实现。该方法能够以整机最大功率输出为目标，通过实现一种基于线性二次型调节和干扰调节技术的控制策略，以解决双风轮风电机组在运行时前、后风轮的相互影响问题，提高系统鲁棒性，提高双风轮的整体风能吸收率，充分发挥双风轮风电机组的高效风能转化能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的双风轮风电机组运行控制方法的流程图；

图2a为本发明提供的引入状态观测器、干扰调节控制器及二次型调节器的前风轮反馈闭环控制原理图；

图2b为本发明提供的引入状态观测器、干扰调节控制器及二次型调节器的后风轮反馈闭环控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种双风轮风电机组的运行控制方法，具体地，本发明中的双风轮风电机组为串列式双风轮风电机组，包括前风轮和后风轮，引入状态观测器、干扰调节控制器(DAC,disturbance-accommodation control)及线性二次型调节器(LQR,linearquadratic regulator)方法设计前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器，对前、后风轮进行控制。

图1为本发明提供的一种双风轮风电机组运行的控制方法的流程图，该方法具体包括以下步骤：

S10、获取双风轮风电机组前、后风轮在当前风速下的气动数据；所述气动数据包括：转速及桨距角；

S20、根据当前风速下的所述气动数据，以双风轮风电机组整体输出功率最大为目标，确定当前风速下双风轮风电机组前、后风轮的目标转速及桨距角；

S30、分别建立前、后风轮传动链的基于状态空间的线性化模型；

S40、基于所述线性化模型，引入状态观测器、干扰调节控制器及二次型调节器，设计前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器，实现对前、后风轮的控制。

该方法能够以整机最大功率输出为目标，通过实现一种基于线性二次型调节和干扰调节技术的控制策略，以解决双风轮风电机组在运行时前、后风轮的相互影响问题，提高系统鲁棒性，提高双风轮的整体风能吸收率，充分发挥双风轮风电机组的高效风能转化能力。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明：

在步骤S10中，在当前风速下，获取前风轮的转速由前风轮发电机侧转速传感器反馈信号获得，后风轮的转速由后风轮发电机侧转速传感器反馈信号获得。

风轮转速＝发电机侧转速/传动比

在当前风速下，获取前风轮的桨距角由前风轮变桨系统传感器反馈信号获得，后风轮的桨距角由后风轮变桨系统传感器反馈信号获得。

在步骤S20中，根据前风轮的气动数据，设计最佳叶尖速比，确定切入、切出及额定风速，设计前风轮单机级控制策略；根据后风轮的气动数据，设计最佳叶尖速比，确定切入、切出及额定风速，设计后风轮单机级控制策略。

前、后风轮单机级控制策略包括：风速到达切入风速时的升转速控制、并网控制，风速低于额定风速时的追踪最佳叶尖速比控制，风速高于额定风速时的变桨控制。

将步骤S10的前、后风轮单机级控制策略，结合前、后风轮的转速-转矩曲线，从而确定以双风轮整体输出功率最大为目标，不同风速下前、后风轮对应的最佳转矩及桨距角。

在步骤S30中，分别建立前、后风轮传动链的基于状态空间的线性化模型，该模型的状态空间表示形式为：

(1)式中，A、B、C、D分别为标准状态空间表示形式中的参数，Γ为扰动参数，

本发明选取的u(t)输入控制量为当前风速下对应的转矩及桨距角与最佳转矩及桨距角的差值，即转矩误差与桨距角误差。

转矩误差＝当前转矩-目标最佳转矩；

桨距角误差＝当前桨距角-目标最佳桨距角。

在步骤S40中，为了减小或抑制双风轮风电机组在运行前、后风轮间的相互影响，将这种影响看作是系统的外部扰动，引入全状态反馈，干扰调节控制及LQR方法实现系统的最优控制。如图2a、2b所示，分别为前风轮及后风轮的扰动抑制控制器结构框图。

在工程上，测量系统的所有状态量是不现实的，遂引入状态观测器对系统的所需状态量进行估计，状态观测器的数学模型为：

(2)式中，

引入干扰调节控制器(DAC)，其是一种用来降低或抵消持续干扰的方法，其核心原理是将重构的干扰状态引入反馈增益中，来减小或抑制前、后风轮运行时对彼此的影响，引入干扰模型：

(3)式中，

构建干扰状态观测器数学模型为：

(4)式中，

构建估计误差的状态方程为：

其中，

可通过调节参数K

此时，可利用LQR方法构建反馈法则：

u(t)＝Gx(t)+G

(6)式中，G为采用线性二次型调节控制器设计的反馈增益矩阵，G

根据LQR方法可以计算状态反馈增益G，实现极点配置；对于LQR方法中的目标函数J定义为

其中Q(t)为状态权重矩阵；R(t)为输入权重矩阵；δ表示微小增量；J是性能指标函数，这是LQR控制常用的目标函数；此时，反馈增益G表示为：

G＝-R

其中，P为黎卡提方程的对称正定解；R为输入权重矩阵。

此时，结合公式(1)-(6)，分别构建前、后风轮的转矩控制器及变桨控制器的状态空间方程，表示为：

干扰校正反馈增益G

本发明提供的双风轮风电机组运行控制方法，以双风轮风电机组整体输出功率最大为目标，建立前、后风轮各自的控制系统，本发明的核心思想为：将前、后风轮运行时的相互影响看作外部扰动施加至控制系统中，引入状态观测器、干扰调节控制器及LQR方法设计的反馈控制，很大程度上消除了两风轮运行时的相互影响，提高了系统的鲁棒性，提升了双风轮风电机组整体的风能吸收效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。