技术领域
[0001] 本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制方法。
相关背景技术
[0002] 海上风电单机容量的不断增加以及恶劣的海上环境会对传动链的工作寿命产生影响。因此，研究减少振动和噪声对传动链的不利影响具有较高的学术研究与工程价值。目前，国内外学者根据振动噪声从产生源到传递的过程，归纳出三类减振技术，即抑制振动源、优化振动传递路径和干预控制系统。
[0003] 文献(Z.Xu,J.Wei,S.Zhang,Z.Liu,X.Chen,Q.Yan and J.Guo.A state‑of‑the‑art review of the vibration and noise of wind turbine drivetrains[J].Sustainable Energy Technologies and Assessments,2021,48:1‑22)采用了基于液体摇荡与摩擦的调谐液体阻尼器，实验证明了该方法有效增强了结构阻尼，但由于阻尼器被调谐到了一定的振荡频率，这会限制其在宽激励频率下的应用。文献(C.Noyes,C.Qin,E.Loth.Pre‑aligned downwind rotor for a 13.2MW wind turbine[J].Renewable Energy,2018,116:749‑754)研究了三点安装的传动系布局，抑制了扭矩负载在传动系统的传递，但该方法对非扭矩负载敏感。相比较之下，控制系统的干预重点是通过“软件”系统，而不是通过抑制源和优化传输路径的“硬件”系统来减少振动和噪声。经典策略采用扰动观测器来估计目标参数(如扭矩偏差和速度偏差)，固有的振荡分量被带通滤波器筛选出来，并作为反馈产生额外的扭矩(E.Taherian‑Far,R.Sahebi,T.Niknam,A.Izadian,M.Shasadeghi.Wind turbine drivetrain technologies[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2020,56(2):1729‑1741)。然而，传统方法在多种不同的工作条件下鲁棒性较差，必须重新调整相应的控制器参数以恢复良好的阻尼性能。
[0004] 通过对现有研究成果的分析可见：基于附加阻尼器的振动源抑制方法，尚存在需要添加额外的设备以及难以彻底抑制振动源的问题；而优化振动传递路径法会导致系统对非扭矩负载敏感，且该方法通常需要在强烈激励下产生适用的阻尼，这也限制了其在无规则强风的海上风电场景中应用。而现有的控制策略的鲁棒性尚未达到最佳，且需要额外安装传感器或采用进行多次计算方能获取的传动链扭角作为响应提取的来源，这也限制了其在一些低成本、紧凑型风力发电机场景中的应用。因此，如何设计鲁棒性强、成本低、性能优异的控制策略成为了实现海上永磁同步风力发电机轴系振荡抑制的关键。
具体实施方式
[0067] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0068] 如图1所示，本发明的一种海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制方法，包括以下步骤：
[0069] S1、设计未知输入观测器(Unknown input observer,UIO)，在只有风力机转速已知的情况下在线观测时变扰动下的风力发电机转速和传动链扭角；包括：
[0070] 考虑如下的风力发电机传动链模型：
[0071]
[0072] 其中，wR、wG、θ分别为风力机速度、风力发电机速度、传动链扭角； 分别为风力机速度的时间导数、风力发电机速度的时间导数、传动链扭角的时间导数；Bt、Bg分别为风轮端和风力发电机端的自阻尼系数；Jt、Jg分别为风轮端和风力发电机端的转动惯量；Kdt、Bdt分别为传动链的刚度系数和阻尼系数；η为传动链的传动效率、N为传动链减速比；Tclassical为风轮端提供的气动转矩，Te为风力发电机端提供的电磁转矩，Tdisturbance为施加在气动转矩中的扰动。
[0073] 将风力发电机传动链模型表示成如下状态方程形式：
[0074]
[0075] 其中，x为风力发电机传动链模型的状态变量， 为风力发电机传动链模型的状态变量的时间导数；y为系统输出，u为控制输入；风力发电机传动链模型状态方程中的四个参数矩阵可以分别表示为 Cdt＝[1 0 0]， d为施加在气动转矩中扰动的向量形式。
[0076] UIO状态空间方程设计如下：
[0077]
[0078] 其中，z为辅助变量， 为辅助变量的时间导数， 为状态变量观测值，N、G、L、H为待求解参数矩阵。
[0079] 根据式(2)与式(3)，得到观测误差e为：
[0080]
[0081] 其中，I为单位阵，P＝I+HCdt为参数矩阵。
[0082] 对公式(4)求导，得到观测误差的动态方程为：
[0083]
[0084] 其中，为观测误差的时间导数。
[0085] 观测误差动态与风力发电机传动链系统状态、控制输入、扰动均无关，故得出：
[0086]
[0087] 由上式计算出矩阵参数矩阵H、G。由公式(5)可知矩阵N需满足Hurwitz稳定性条件。为了精确计算矩阵N、L，构造Lyapunov函数V1为：
[0088] V1＝eTXe (7)[0089] 其中，矩阵X为正定矩阵，eT为观测误差e的转置。对Lyapunov函数V1求导，得到：
[0090]
[0091] 其中， 为V1的时间导数；T表示矩阵转置； 为eT的时间导数；参数矩阵[0092] 通过MATLAB中LMI工具箱求解下述线性矩阵不等式，即可得到矩阵X、[0093] 其中α是待设计矩阵元素值的上限。求解出矩阵X、 后可通过公式(6)求解矩阵N、L。
[0094] 至此，UIO所需设计的矩阵N、G、L、H全部求解完毕。
[0095] S2、基于未知输入观测器的观测结果设计滑模控制器(Sliding mode controller，SMC)，求取补偿转矩，以控制传动链扭角稳定；具体为：
[0096] 在考虑轴系振荡分量时，风力发电机传动链系统的状态空间方程改写为：
[0097]
[0098] 其中， 分别为θ、w的振荡分量，w为传动链扭角的时间导数，即传动链转速。为气动转矩Taero的振荡分量， 为风力发电机电磁转矩Te的振荡分量；J为等效转动惯量。
[0099] 将 项表示为补偿转矩Tecomp和未建模干扰函数 的总和，其中t为时间，具体为：
[0100]
[0101] 设计一个反馈控制律来抑制由未知扰动引起的传动链转速振荡分量 构造滑模面s1为
[0102]
[0103] 其中，γ为传动链扭角振荡分量的系数；对滑模面s1求导，可得：
[0104]
[0105] 其中， 为滑模面的时间导数。构造Lyapunov函数V2
[0106]
[0107] 对其求导，可得：
[0108]
[0109] 其中， 为V2时间导数。令 v为待确定表达式，误差函数有界，即 L1为误差函数绝对值的上限，代入上式得：
[0110]
[0111] 选取v＝‑ρsgn(s1)，其中ρ为符号函数系数，当ρ>L1时， 故补偿转矩应设计为
[0112] S3、将补偿转矩前馈至永磁同步风力发电机矢量控制中，构建永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制系统；包括：将根据最大风能捕获原理所得风力机转速给定值与实际值作差，误差经过转速比例积分控制器后得到风力发电机q轴电流的给定值，并与滑模控制器输出的q轴电流补偿分量叠加，经由电流比例积分控制器后，输出开关信号以驱动永磁同步发电机。
[0113] 永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制系统如图2所示，该系统根据最大风能捕获(MPPT)原理，得到当前风速下的最佳风力机转速给定值 通过转速传感器得到风力机转速的实际值，从而得到与目标的偏离值，将该值通过转速比例积分(PI)控制器得到风力*发电机q轴电流的给定值iq ，通过电流环控制风力发电机q轴电流iq，从而控制风力发电机的电磁转矩Te，再进一步控制风力机转速wR。为了抑制风力发电机轴系振荡，该系统使用未知输入观测器(UIO)观测传动链扭角θ，利用高通滤波器(HPF)提取传动链扭角的振荡分量*
利用滑模控制器(SMC)设计合适的风力发电机q轴电流补偿分量iqcomp，从而改变风力发电机的电磁转矩，进而抑制传动链系统的振荡；具体为：
[0114] 利用转速传感器得到风力机转速，通过LMI工具箱求解未知输入观测器的系数矩阵，基于未知输入观测器观测出风力发电机转速和传动链扭角。
[0115] 采用高通滤波器(HPF)提取传动链扭角θ的振荡分量，该滤波器传递函数的具体形式为：
[0116]
[0117] 其中高通滤波器的截止频率ωn设置为3Hz，阻尼系数ζ置为0.707，以滤除传动链扭角的主要直流分量。
[0118] 滑模控制器的控制输入为传动链扭角的振荡分量 控制输出为风力发电机q轴电*流补偿分量iqcomp ，将其叠加到风力发电机的电流控制环给定中，结合风力发电机矢量控制算法，共同组成永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制系统。
[0119] 本发明上述方法对应的一种海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制系统，包括：
[0120] 在线观测单元，用于设计未知输入观测器，在线观测时变扰动下的风力发电机转速和传动链扭角；
[0121] 补偿转矩求取单元，用于基于未知输入观测器的观测结果设计滑模控制器，求取补偿转矩，以控制传动链扭角稳定；
[0122] 控制单元，用于将补偿转矩前馈至永磁同步风力发电机矢量控制中，构建永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制系统；包括：将根据最大风能捕获原理所得风力机转速给定值与实际值作差，误差经过转速比例积分控制器后得到风力发电机q轴电流的给定值，并与滑模控制器输出的q轴电流补偿分量叠加，经由电流比例积分控制器后，输出开关信号以驱动永磁同步发电机。
[0123] 用于存储并执行上述方法的一种电子设备，所述设备包括：
[0124] 存储有可执行程序代码的存储器；
[0125] 与所述存储器耦合的处理器；
[0126] 所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行所述的海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制方法的步骤。
[0127] 用于存储并执行上述方法的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行所述的海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制方法的步骤。
[0128] 下面通过MATLAB/Simulink仿真实验验证本发明所提出的一种海上永磁同步风力发电机轴系振荡主动抑制方法的有效性并给出仿真实验结果；
[0129] 为更清晰地展示所提出的控制方法，仿真实验中选取的风力机、传动链及300kW永磁同步风力发电机参数如下：
[0130] ①风力机参数：叶轮半径14m，空气密度1.2kg/m3；
[0131] ②传动链参数：低速侧转动惯量1800kgm2，高速侧转动惯量600kgm2，传动链刚度系数100000Nm/rad，传动链阻尼系数0Nms/rad，低速侧自阻尼0Nms/rad，高速侧自阻尼0Nms/rad，减速比为1；
[0132] ③发电机参数：极对数为12，定子电阻0.025Ω，d轴电感3.6mH，q轴电感3.6mH，永磁体磁链3.89Wb，直流母线电压1.8kV。
[0133] 在仿真实验中，给定风速12m/s，扰动具体施加形式为在Tclassical中加入最大幅值为‑10000Nm、周期为0.03s的负三角尖峰，未加扰动和施加扰动时的未知输入观测器观测结果分别如图3中(a)～(f)和图4中(a)～(f)所示。仿真实验结果证实未知输入观测器实现观‑4测值的快速收敛，其观测误差在2×10 rad以内，观测性能优异。滑模控制器的控制效果如图5中(a)、(b)、(c)所示，从图中看出，虽然加入SMC后会在电机的稳态转速中产生小幅抖振，但最终传动链扭角的振荡幅值相比未加控制时得到有效衰减，由此证明所提出的SMC实现了系统的稳态性能提升。此外，未采取任何控制时系统的调节时间约为3.5s，而加入SMC控制后系统的调节时间约为2.6s，由此证明所提出的SMC提高了系统的暂态性能。综上所述，本发明设计的未知输入观测器能够实现转速与传动链扭角的准确观测，且所设计的滑模控制器能有效改善风力发电机系统的暂态与稳态性能，抑制永磁同步风力发电机传动链扭振。
