自抗扰控制技术在风电变桨系统中的应用_郭振鹏.pdf

Application 创新应用192 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月府部门与研究单位的高度重视。近年来，风能技术迅速发展，单台发电机组的容量也在不断扩大从之前的0.110MW，风能发电机组系统的空气动力的控制驱动方式目前也就已是从定桨轴距的控制驱动方式开始逐渐过度到变桨螺距的控制驱方式，发展历史中风电机桨组系统运行方式的稳定性水平也就已开始从1980年代末初期，持续逐年递增发展至了目前左右的基本稳定水平。此外，中国目前还已经实现了对已投资运营中的风电装置的集中监控、在远距离遥控风力发电的技术发展空间也将是非常广阔，而且中国目前的风电场已经开始从内陆开始，逐渐地向海上转移。至今，随着风电技术的发展，已成为具有一定规模的产业，同时，还可以促进相关产业和设施的蓬勃发展，推动国民经济朝着良好的方向发展。2 变桨风力发电机组结构与模型从能量转换的角度看，风力发电机是由风力机和发电机两部分构成。前者将风能转化为机械能，后者将机械能转化为电能。风力发电机组结构。从风力机旋转轴的方向，可分为水平轴风机和垂直轴风机两种类型。水平轴风扇的叶片可设计为：固定和可调两种桨距。可调桨距风机是通过控制叶片桨距角来实现在大气中吸收的能量的效果的，而垂直轴风机的叶片无法调控的。一般情况下，水平轴风机放置在塔0 引言为了改善风能变桨控制中的系统动态特性,在深入分析变速恒频风能发电系统桨距矢量控制的基础上,提供了一个采用自抗扰管理技术的风桨距控制设计方案。首先建立了风力机叶片结构和变桨距风力机的模型,并设计和完成了一个以系统速度变化作为测量输入数据的可扩展式系统工作状态监视仪,用以监视整个系统的工作状况和变化率和风速扰动；此外，还设计了一个非线性系统来控制连接误差。在随机风速的影响下，对其进行了数值模拟，最后得到结果显示采用自抗扰控制技术的变桨距控制器具备良好的空气动力学稳定性和对抗风力影响时的鲁棒性，可以显著提高变风能发电系统的桨距控制，设计实用性很强。1 风力发电技术的特点风力发电是作为一种较新概念的、安全且可靠利用的高洁净高效能源，其存在好处不仅是比风电环境效益高，而且不会产生任何有害的气体或者是垃圾，是一个绿色的能源。风力机组从架设到和投入运行通常只需要几周时间，也可以一次同时架设多个风力机组，且不会相互产生影响，同时占地面积较小。风电场虽然占用了大量农田，但风能机组所影响的范围极小，也不会进一步干扰现有耕地面积。所以，风能开发具有相当高的经济性和效益，风能概念与技术的出现与开发已日益引起国内外政摘要：阐述自抗扰控制技术及其在风力变桨控制系统中的运用，阐述风力发电技术的特点、发电机组的结构与模型，自抗扰控制的基本原理，自抗扰控制器离散实现、自抗扰控制器参数整定。关键词：控制技术，自抗扰，风力变桨，参数整定。中图分类号：TP273文章编号：1000-0755(2023)05-0192-02文献引用格式：郭振鹏.自抗扰控制技术在风电变桨系统中的应用J.电子技术,2023,52(05):192-193.自抗扰控制技术在风电变桨系统中的应用郭振鹏（国能信控互联技术有限公司，北京 100039）Abstract This paper describes the auto disturbance rejection control technology and its application in the wind power pitch control system,describes the characteristics of wind power generation technology,the structure and model of generator sets,the basic principle of auto disturbance rejection control,the discrete implementation of auto disturbance rejection controller,and the parameter tuning of auto disturbance rejection controller.Index Terms control technology,auto disturbance rejection,wind pitch,parameter tuning.Application of Active Disturbance Rejection Control Technology in Wind Power Pitch SystemGUO Zhenpeng(Guoneng Xinkong Internet Technology Co.,Ltd.,Beijing 100039,China.)作者简介：郭振鹏，国能信控互联技术有限公司；研究方向：风电控制技术。收稿日期：2022-08-17；修回日期：2023-05-12。Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 193顶，而垂直轴风机的风轮放置在靠近地面的位置。除结构形式外，还可由输出功率对其进行分类。针对风机功率大小，可分为大、中、小三种类型。我国风机的分类方法与国外基本相同，但小型机下的微型机较多，功率范围小于100kW。按照风机叶轮上叶片的数量多少也可分成多叶和小叶片两类,叶片数超过3的属于多叶风机，而小叶风机的叶片数等于或小于3。除此之外，也可按照风机风轮的转速分成高速和低速两类风机。高速风机的风轮叶尖速比(高速系数)大于3，而叶尖速比小于3的则是低速风机。高速风机的风机叶片数量基本为3个，大中型风力涡轮机叶一般有失速状态和可调变齿距两种叶片。失速状态叶片可以在高风力下通过叶片翼型和结构自动失速，以控制风力机的速度和输出功率。可调变齿距叶片是可调的，能分成全部跨越桨距与小部分跨距可调。对带有可调变桨角的叶片，风力涡轮机达到设计功率时，风力涡轮机的叶片就将进入控制状态。当风速增加时，俯仰角也要相应增加，以将风力涡轮机的实际功率保持在额定功率。风力机机理模型。如图1所示，该模型主要由风轮、传动机构和异步发电机构成。3 自抗扰控制基本原理自抗扰控制器离散实现。自抗扰控制结构组成示意图如图2所示。自抗扰控制器大致包含了三个部分:跟踪装置TD、非线性观测仪ESO，以及非线性反馈律NLSEF。通过对跟踪器TD进行参数信号的转换流程，从而得到更平滑的系统信息并获得其差分信号，从而将非线性信号变换为积分器串联结构。ESO是把对象模型的不稳定状态、内部的外界影响，以及其真实的状态等影响显示在控制器上。自抗扰控制器参数整定。（1）跟踪微分器参数整定。在ADRC中，TD主要有以下功能：输入信号v0的理想的过渡过程信号v1，使之柔化不平滑的输入信号，以降低控制过程输出的过冲和振动；对于理想差分信号V2，对于二阶TD，当确定模拟步骤h时，主要调整参数为r。r越大其过程就会愈短，但软化效果越不理想。（2）ESO动态参数法整定。闭环系统的动态和ESO的参数有很大关联，增加ESO的参数值，其闭环系统调节的时间就会越短，特别是kn的值增大的时候。因此，其参数的值不能过大，不然会导致振荡或发散的情况发送。因而在保障准确跟踪目标系统上，可按照系统控制目标情况进行调节ESO函数。（3）NLSEF参数整定。NISEF采用手动调整和设置经验：超调和参数1的值相关，当超调时可以适当减小1，反之可以增大；在重新调整除1的参数时，应注意参数的值差异不能过大。（4）参数b0的整定。b0参数与控制量u和状态观测器n+1的状态变量都有关，根据b0取值的变化，总扰动值和补偿分量也会随之改变。b0的取值原则是：当对象有延迟时,可以选取一个较大的数值，使b0u的值更大，当ESO的第n个状态变量传递给TD时，就可以有更多的差错或控制信号来影响数据，能够及时输出和跟踪输入信息。自抗扰控制在风电变浆控制系统中的应用。以下采用功率1.5MW、定转速、变染距、异步电机和并网运行的重型直流风电机组为控制对象，额定风速为12m/s。根据整定参数效应方法，非线性状态观测ESO参数k1，k2，k3，k4，k5分别如下：50，1 000，10 000，50 000，100 000。其比例带为861.12，积分时间为25.96，状态反馈矩阵为DT=1.0012.0287.12387.37。从图3中的测试结果可知，添加了随机风扰动。在控制器的支持下,发电机效率能在单机工作1.3MW的最高输出情况下得到较基本的保持,同时发电机速度也可控制维持在1 4951 505r/min,从而可以适应其工作条件。从中可知，对于风力发电变桨控制系统，使用自抗扰控制器可以有效控制风速变化时对发电效率的潜在影响，并可以得到满意的风电控制效果。4 结语通过自抗扰技术在风力发电变桨距控制上所应用的实例，可以模拟出在最高风力的恒定功率下出现的随机风速。结果展示，虽然形成了良好的自抗扰控制器的管理功能，但是需要控制器具有良好的迅捷性和较小的超调量能力，并要求具备较优秀的抗鲁棒性能力和强抗干扰的能力，可以帮助实现风电变桨的控制，得到更趋于好的功率。参考文献1 郭峰,白焰.自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用J.仪器仪表用户,2011,18(04):60-62.图1 机组模型图图2 自抗扰控制器典型结构图3 测试结果