含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010552701.1 (22)申请日 2020.06.17 (71)申请人 曲阜师范大学 地址 273165 山东省济宁市曲阜市静轩西 路57号 (72)发明人 褚晓广董同乐宋蕊孔英 (51)Int.Cl. H02P 21/00(2016.01) H02P 21/13(2006.01) H02P 21/14(2016.01) H02P 21/18(2016.01) H02P 21/20(2016.01) H02P 21/22(2016.01) F03D 7/00(2006。

2、.01) (54)发明名称 一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制 方法 (57)摘要 本发明公开一种含高频干扰重构的风力机 舱偏航控制方法， 针对风力磁悬浮机舱偏航对风 存在弱阻尼、 电磁转矩脉动以及外界风力干扰等 严重影响偏航稳定性问题， 基于轴径向磁场解耦 方法以及转速和电流双闭环串级控制机制， 提出 了基于状态反馈跟踪控制、 自适应不确定项补偿 以及滑模自适应干扰观测相结合的复合控制策 略， 采用滑模项对对转矩脉动等偏航快变干扰的 重构， 引入自适应干扰逼近慢变干扰， 协同前馈 转速跟踪控制， 提升偏航电机干扰抑制能力； 自 适应不确定项补偿可优化偏航电机超低速跟踪 控制， 补偿风力机舱。

3、偏航电机的低频脉动。 权利要求书4页 说明书6页 附图2页 CN 111682815 A 2020.09.18 CN 111682815 A 1.一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法， 其特征在于： 采用风力机舱悬浮磁 场和偏航磁场轴径向解耦方法， 偏航转速环和电流跟踪环相结合的串级控制； 所述偏航转 速环包括滑模自适应干扰观测器、 自适应不确定项补偿和状态反馈控制器三部分， 所述滑 模自适应干扰观测器应对外界高频风干扰和偏航转矩脉动高频干扰分量， 采用滑模调整项 对高频干扰分量重构， 对干扰慢变部分由自适应项在线干扰估计， 并将观测量前馈于转速 控制器； 所述偏航转矩脉动是风力机舱悬浮重。

4、量所致的转子齿槽较深， 偏航旋转导致定转 子气隙脉动影响气隙磁场能， 构建机舱悬浮气隙周期变化模型和气隙磁场能机理描述式， 对气隙磁场能基于转子旋转角度的偏微分， 计算获取转矩脉动分量； 所述自适应不确定项 补偿根据实时计算的偏航转速跟踪误差， 自适应获取补偿， 因偏航模型参数时变对偏航转 速影响以及变工况所致的偏航跟踪误差， 所示状态反馈控制器是基于偏航转速误差积分增 广方程而设计， 包括以下步骤： 步骤1， 偏航转矩脉动机理分析和计算 第一步， 对定转子间气隙 倒数进行傅里叶展开为 其中， p为盘式电机转子磁极对数， min为最小悬浮气隙， max为最大悬浮气隙， m为极宽 bN和极矩 N。

5、之比； 第二步， 基于d/q旋转坐标系下， 构建风力机舱定转间的气隙磁场能为 其中， m为转子机械角度， ia， ib， ic分别为定子 三相电流， id和iq分别为dq旋转坐标下的励磁和转矩电流； 第三步， 将式(1)代入式(2)可得气隙磁场能， 同时对气隙磁场能基于转子旋转角度求 偏导得 权利要求书 1/4 页 2 CN 111682815 A 2 其中， Te0为偏航电机电磁转矩稳态分量， Tif为悬浮电流产生的电磁转矩分量， Tcog为电 磁转矩脉动， 为机舱两侧电流平均值， 各分量表达式为： 步骤2， 构建风力机舱偏航电机控制模型 第一步， 引入了偏航位置角变量， 将风力机舱偏航动态。

6、模型增广为 其中， J为转动惯量， 为角速度， Te0为电磁转矩基准值， Tif为悬浮电流产生的电磁转 矩分量， Tcog为脉动转矩， Ty为偏航负载转矩， B为阻尼系数； 第二步， 分别以 e和为状态变量xm1和xm2， 并以为虚拟控制输入， 则偏航电 机转速环的状态空间方程为： 其中，TlTif0+Tcog-Ty-B； 步骤3， 对式(6)中偏航运行干扰量Ty、 Tif、 Tcog性能分析 权利要求书 2/4 页 3 CN 111682815 A 3 1)其中Cs为风能利用系数， 0为空气密度， V有效风速， 为偏 航角度， As桨叶侧面积， Rn为偏航力臂， 为偏航负载转矩变化率 3为偏。

7、航负载转矩变化最大值， 为快变性干扰； 2)因转子旋转角度而变化， 但偏航超低速(10rpm)， 为慢变干扰； 3)为脉动转矩， 其值随k高阶谐波增大， 存在快变 和慢变干扰转矩脉动； 步骤4， 自适应不确定项补偿的状态反馈转速控制器设计 第一步， 根据式(6)， 定义虚拟变量E (ref-)dt,ref-T，为慢变干扰转 矩的自适应补偿量， 虚拟控制输入设置为则转速误差增 广模型为： 第二步， 采用状态反馈法设计控制器， 虚拟控制输入为和转矩电流控制输入分别为 um1-KEk1 k2 (ref-)dt,ref-T (8) 第三步， 采用Lyapunov函数求取自适应率，为fdc补偿项估计值，。

8、为自适 应补偿误差， 构建偏航电机转速闭环Lyapunov函数为： 其中， 为正常数， 矩阵P和Q为对称正定矩阵满足TP+P-Q， 为期望系统矩阵， 设 置不确定项自适应律为对式(10)求导可得 可知， 该自适应率下的干扰补偿的跟踪控制器在Lyapunov稳定条件下渐进稳定； 步骤5， 设计偏航电机滑模自适应干扰转矩观测器， 引入滑模调整项Gnv对偏航负载转矩 Ty和Tcog内高频部分进行重构(Gn为调整矩阵， v为滑模调整量)， 而对Tcog内的慢变干扰则由 权利要求书 3/4 页 4 CN 111682815 A 4 自适应在线估计， 引入Gley加快滑模观测器的快速收敛， 偏航电机的滑模。

9、自适应负载转矩 观测器表示为： 其中，v-3sgn(ey)(30)， Am0Am-GlC， 存在Glk1 k2， 使得 存在对称正定矩阵Pm和满Qm足Am0TPm+PmAm0-Qm， Am0为基于状态 反馈控制得到的期望系统矩阵。 权利要求书 4/4 页 5 CN 111682815 A 5 一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法， 尤其是一种应用于水 平轴风力发电系统机舱稳定悬浮后偏航对风， 用于应对偏航弱阻尼、 转矩脉动以及外界强 干扰工况下的偏航对风问题， 属于风力发电控制领域。 背景技术 0002 风机偏航装置为。

10、大中型水平轴风力发电系统关键组件， 可实现风机桨叶正面迎 风， 提升风能捕获功率， 但较重风机机舱以及多电机多齿轮偏航传动机制， 往往导致风机偏 航功耗大、 故障率高、 对风精度差等问题， 为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬 浮偏航系统， 极大降低机舱偏航功耗。 实际上风机机舱一般工作在80米高的塔架上， 机舱一 旦悬浮， 偏航系统处于弱阻尼状， 电磁转矩脉动以及外界风力干扰等对偏航稳定性造成巨 大影响， 采用观测器对外界干扰进行观测前馈， 可有效提高偏航转速控制实时性， 但是滑模 控制存在抖振， 影响偏航超低速运行， 为此开展诸多方法弱化抖振问题， 特别当前的观测器 多关注慢变干扰，。

11、 将干扰导数直接假设为零， 但实际上风力干扰以及转矩脉动干扰都具有 高频快变特性， 严重制约风机机舱的偏航稳定性。 发明内容 0003 本发明目的是为克服上述现有技术的不足， 提出一种含高频干扰重构的风力机舱 偏航控制方法， 其特征在于： 采用风力机舱悬浮磁场和偏航磁场轴径向解耦方法， 偏航转速 环和电流跟踪环相结合的串级控制； 所述偏航转速环包括滑模自适应干扰观测器、 自适应 不确定项补偿和状态反馈控制器三部分， 所述滑模自适应干扰观测器应对外界高频风干扰 和偏航转矩脉动高频干扰分量， 采用滑模调整项对高频干扰分量重构， 对干扰慢变部分由 自适应项在线干扰估计， 并将观测量前馈于转速控制器；。

12、 所述偏航转矩脉动是风力机舱悬 浮重量所致的转子齿槽较深， 偏航旋转导致定转子气隙脉动影响气隙磁场能， 构建机舱悬 浮气隙周期变化模型和气隙磁场能机理描述式， 对气隙磁场能基于转子旋转角度的偏微 分， 计算获取转矩脉动分量； 所述自适应不确定项补偿根据实时计算的偏航转速跟踪误差， 自适应获取补偿， 因偏航模型参数时变对偏航转速影响以及变工况所致的偏航跟踪误差， 所示状态反馈控制器是基于偏航转速误差积分增广方程而设计， 包括以下步骤： 0004 步骤1， 偏航转矩脉动机理分析和计算 0005 第一步， 对定转子间气隙 倒数进行傅里叶展开为 0006 说明书 1/6 页 6 CN 11168281。

13、5 A 6 0007 其中， p为盘式电机转子磁极对数， min为最小悬浮气隙， max为最大悬浮气隙， m为 极宽bN和极矩 N之比。 0008 第二步， 基于d/q旋转坐标系下， 构建风力机舱定转间的气隙磁场能为 0009 0010其中， 0011 0012m为转子机械角度， ia， ib， ic分别为 定子三相电流， id和iq分别为dq旋转坐标下的励磁和转矩电流。 0013 第三步， 将式(1)代入式(2)可得气隙磁场能， 同时对气隙磁场能基于转子旋转角 度求偏导得 0014 0015 其中， Te0为偏航电机电磁转矩稳态分量， Tif为悬浮电流产生的电磁转矩分量， Tcog为电磁转矩。

14、脉动，为机舱两侧电流平均值， 各分量表达式为： 0016 0017 步骤2， 构建风力机舱偏航电机控制模型 0018 第一步， 引入了偏航位置角变量， 将风力机舱偏航动态模型增广为 说明书 2/6 页 7 CN 111682815 A 7 0019 0020 其中， J为转动惯量， 为角速度， Te0为电磁转矩基准值， Tif为悬浮电流产生的电 磁转矩分量， Tcog为脉动转矩， Ty为偏航负载转矩， B为阻尼系数。 0021第二步， 分别以 e和为状态变量xm1和xm2， 并以为虚拟控制输入， 则偏 航电机转速环的状态空间方程为： 0022 0023其中，TlTif0+Tcog-Ty-B 。。

15、 0024 步骤3， 对式(6)中偏航运行干扰量Ty、 Tif、 Tcog性能分析 0025其中Cs为风能利用系数， 0为空气密度， V有效风速， 为偏航角度， As桨叶侧面积， Rn为偏航力臂， 为偏航负载转矩变化率 3为偏航负载转矩变化最大值， 为快变性干扰； 0026因转子旋转角度而变化， 但偏航超低速(10rpm)， 为慢变干扰； 0027为脉动转矩， 其值随k高阶谐波增大， 存在 快变和慢变干扰转矩脉动。 0028 步骤4， 自适应不确定项补偿的状态反馈转速控制器设计 0029第一步， 根据式(6)， 定义虚拟变量为慢变干扰转 矩的自适应补偿量， 虚拟控制输入设置为则转速误差增 广模。

16、型为： 0030 0031 第二步， 采用状态反馈法设计控制器， 虚拟控制输入为和转矩电流控制输入分别 为 0032 um1-KEk1 k2 (ref-)dt,ref-T (8) 说明书 3/6 页 8 CN 111682815 A 8 0033 0034第三步， 采用Lyapunov函数求取自适应率， 为fdc补偿项估计值，为自 适应补偿误差， 构建偏航电机转速闭环Lyapunov函数为： 0035 0036 其中， 为正常数； 矩阵P和Q为对称正定矩阵满足TP+P-Q， 为期望系统矩 阵， 设置不 0037 0038 可知， 该自适应率下的干扰补偿的跟踪控制器在Lyapunov稳定条件下渐。

17、进稳定。 0039 步骤5， 设计偏航电机滑模自适应干扰转矩观测器， 引入滑模调整项Gnv对偏航负 载转矩Ty和Tcog内高频部分进行重构(Gn为调整矩阵， v为滑模调整量)， 而对Tcog内的慢变干 扰则由 自适应在线估计， 引入Gley加快滑模观测器的快速收敛， 偏航电机的滑模自适应负 载转矩观测器表示为： 0040 0041其中，v-3sgn(ey)( 30)， Am0Am-GlC， 存在Glk1 k2， 使得 存在对称正定矩阵Pm和满Qm足Am0TPm+PmAm0-Qm， Am0为基于状态 反馈控制得到的期望系统矩阵。 0042 本发明的有益效果是： 0043 1)将风机机舱偏航电机转。

18、矩脉动机理角度分析， 推导获得偏航转矩脉动组成， 将 转矩脉动按照高频快变干扰和低频慢变干扰合理分割， 为风机偏航转速控制奠定奠定基 础； 0044 2)采用自适应不确定项的状态反馈转速控制器， 主要应对偏航电机超低速跟踪控 制中的参数时变以及不确定慢变干扰， 提升偏航对风转速稳定性和可靠性； 0045 3)提出的滑模自适应干扰观测器， 采用观测器中滑模调整项对外界高频风产生的 负载转矩和转矩脉动高频分量进行重构， 对干扰慢变部分由观测器内自适应部分在线估 说明书 4/6 页 9 CN 111682815 A 9 计， 并将观测量前馈于转速控制器， 极大提升了风力偏航稳定性。 附图说明 004。

19、6 图1为本发明偏航电机定转子磁槽结构图。 0047 图2为本发明偏航转速控制结构图。 0048 图3为本发明恒定励磁下变转速跟踪图。 0049 图4为本发明对比的状态反馈控制器在恒励磁变转速跟踪图。 0050 图5为发明励磁弱化下的恒定转速图。 0051 图6为本发明对比的状态反馈控制器励磁弱化下的恒定转速图。 0052 图中： 1-定子， 2-转子， 3-自适应不确定项补偿和状态反馈控制器， 4-滑模自适应 干扰转矩观测器， 5-转矩电流跟踪控制器， 6-励磁电流跟踪控制器， 7-两相旋转坐标系(d/q 轴坐标系)转换成三相静止坐标系(abc轴坐标系)， 8-三相静止坐标系(abc轴坐标系。

20、)转换 成两相旋转坐标系(d/q轴坐标系)， 9-PWM驱动电路， 10-直流母线， 11-风力磁悬浮偏航电 机。 具体实施方式 0053 一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法， 其特征在于： 采用风力机舱悬浮 磁场和偏航磁场轴径向解耦方法， 偏航转速环(3,4)和电流跟踪环(5,6)相结合的串级控 制； 偏航转速环包括滑模自适应干扰观测器4、 自适应不确定项补偿和状态反馈控制器3， 滑 模自适应干扰观测器4应对外界高频风干扰和偏航转矩脉动高频干扰分量， 采用滑模调整 项对高频干扰分量重构， 对干扰慢变部分由自适应项在线干扰估计， 并将观测量前馈于转 速控制器； 所述偏航转矩脉动是风力机舱。

21、悬浮重量所致的转子2齿槽较深， 偏航旋转导致定 转子气隙脉动影响气隙磁场能， 构建机舱悬浮气隙周期变化模型和气隙磁场能机理描述 式， 对气隙磁场能基于转子旋转角度的偏微分， 计算获取转矩脉动分量； 所述自适应不确定 补偿3根据实时计算的偏航转速跟踪误差， 自适应获取补偿， 因偏航模型参数时变对偏航转 速影响以及变工况所致的偏航跟踪误差， 所示状态反馈控制器3是基于偏航转速误差积分 增广方程而设计， 下面结合附图以及实例， 对本发明作进一步详细说明。 分别进行2个仿真 实例， 说明本发明的有效效果。 仿真实验平台参数如表1所示。 0054 表1仿真验证平台参数 0055 0056 仿真实例一恒定。

22、励磁下的变转速跟踪试验， 初始参考为5rpm， 40s转速参考变为 10rpm， 70s转速参考变为5rpm。 仿真结果如图3、 图4所示， 性能对比如表2所示， 结果表明在 启动时间、 动态响应速度、 稳态误差方面本发明控制效果均优于状态反馈控制器(5.3s， 说明书 5/6 页 10 CN 111682815 A 10 5.5s， 1.0rpm)。 0057 表2变转速跟踪性能对比表 0058 0059 仿真实例二励磁弱化下偏航转速稳定控制试验， 40s-46s将磁链系数从0.175V.s (额定磁链系数)减弱至0.008V.s。 仿真结果如图5、 图6， 控制器性能对比如表3， 结果表明在 启动时间、 超调量、 转速波动量、 弱磁恢复时间等方面本发明控制效果均优于状态反馈控制 器(4.5s， 0.2rpm， 3.1rpm， 4.8s)。 0060 表3弱磁偏航转速稳定控制对比表 0061 说明书 6/6 页 11 CN 111682815 A 11 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 12 CN 111682815 A 12 图4 图5 图6 说明书附图 2/2 页 13 CN 111682815 A 13 。