一種大型風電機組的蟻群pid獨立變槳控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及大型風電機組控制領域，特別設及一種大型風電機組的蟻群PID獨立 變獎控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著常規能源的弊端顯現，可再生能源越來越受到人類的重視，風力發電由于其 技術成熟、靈活性強的優點，成為發展最快的可再生能源之一。近年W來風力發電機朝著大 型化的方向發展，葉輪的直徑不斷增大，葉輪上不平衡載荷引起的風力機疲勞失效成為風 電運行維護成本的主要來源。獨立變獎控制方法通過分別對風機獎葉進行單獨微調，在保 證發電機輸出額定功率的情況下，能夠減小減小因風速的端流特性、風剪切和塔影效應所 造成的風機不平衡載荷。
[0003] PID控制器靜態性能好，并且結構簡單容易應用，廣泛應用于風電變獎控制中，但 是對于風力發電機運種大慣性、非線性時變系統來說，因為PID控制器的參數往往不變，所 W其動態性能并不能令人滿意。
[0004] 為了改善PID控制器的運類缺陷，國內外學者嘗試著將各種先進的控制方法使用 到大型風電機組變獎控制系統中，如神經網絡控制、模糊控制和自適應控制，運些智能算法 很多都不需風機精確的數學模型，在仿真中的動態性能良好，但是往往運些先進算法的結 構很復雜，在實際工程應用中難W實現，所W現在基本上沒有運類變獎控制系統投入應用。 另外，因為風機的控制參數會因為外界環境或內部因素而發生改變，研究者們嘗試建立更 為精確的風力發電機載荷控制模型，有的采用滑模變系統，充分利用變結構控制對被控對 象的模型誤差、對象參數的變化W及外部干擾有極佳的不敏感性的優點；有的分析風機變 獎系統多輸入多輸出變量之間的關系，設計多變量獨立變獎控制器。運些研究大多都處于 理論方針階段，且針對性強，對風機的非線性因素并未考慮完全，并不成熟。因而有必要找 出一種同時具有PID控制器結構簡單、控制精確特點并且有著智能算法的良好動態性能的 控制方式，緩解風電機組的振動狀態，使其功率輸出更為平滑。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種具有智能算法、控制精確的大型風電機 組的蟻群PI閲蟲立變獎控制方法。
[0006] 本發明解決上述問題的技術方案是：一種大型風電機組的蟻群PID獨立變獎控制 方法，包括W下步驟：
[0007] 1)建立風電機組的載荷模型，計算風電機組獎葉旋轉坐標系下的拍打力矩；
[000引2)對拍打力矩進行科爾曼坐標變換，變換成d、q坐標軸下的偏航彎矩和俯仰彎矩；
[0009] 3)通過蟻群PID控制器得到d、q坐標軸下的獨立變獎獎距角；
[0010] 4)獨立變獎獎距角經過科爾曼逆變換變換成不同獎葉的優化獎距角，將優化獎距 角與統一變獎獎距角進行比較分析，得到獎距角控制信號，完成風電機組獨立變獎的執行 動作。
[0011] 上述大型風電機組的蟻群PID獨立變獎控制方法，所述步驟I)中，葉根彎矩變化量 的線性模型為：
[0012] AMi = k0i+hwi
[0013] AM2 = k&+hw2
[0014] AM3 = k03+hw3
[001引其中，AMi、AM2、AM3是葉根彎矩的變化量;為別為S個獎葉的獎距角；系 數k、h是風機處于某個穩定運行點時，葉根彎矩對獎距角、瞬時風速的導數;W1、W2、W3是3個 獎葉的相對風速變化量，其計算公式如下：
[0016] Wi = Vi-X
[0017] 其中，X是輪穀中屯、的軸向位移，i為風電機組的葉片數，Wi為第i片獎葉的相對風 速變化量，Vi為第i片獎葉上的絕對風速。
[0018] 上述大型風電機組的蟻群PID獨立變獎控制方法，所述步驟2)中，根據空氣動力學 原理，風電機組的偏航彎矩Md和俯仰彎矩Mq分別為：
[0021]其中：
表示輪穀軸向位移的速度，定義第一個獎葉的方位角為0，當其轉置水平 位置時0 = 0°，01為第i個獎葉的方位角：
[0023]將獎距角和葉根載荷進行變換，其簡化模型為：
[00%] 0、(〇、的(*)、03(〇為不同獎葉的優化獎距角，0/、的了表示4、9坐標軸下的獎距角 大小，am/、AMqT表示偏航彎矩Md與俯仰彎矩Mq的大小，它們之間的關系為：
O
[0029] 上述大型風電機組的蟻群PID獨立變獎控制方法，所述步驟3)中，將PID控制器的 S個參數比例系數Kp、積分時間系數Ti、微分時間系數Td的值用一個二維坐標系來代替，W 便蟻群算法來尋優，其中（0，0)為起點或終點，橫坐標1~5代表Kp，6~10代表Ti，11~15代表 Td,縱坐標值代表Kp、Ti、Td的值，橫坐標從小到大依次為個位、十分位、百分位、千分位、萬分 位，尋優的具體步驟如下：
[0030] ①、設置參數m，a，丫，P，N，D;定義節點;給定初始解;初始化參數t = 0，Nc = 0;
[0031] ②、將m個媽蟻置于各自的初始化鄰域，媽蟻按照下式所給轉移概率移動
[0033]其中，n為節點總數;S為已經過的節點數;i，j表示節點i與節點j連接而成的支路， n-s表示為經過的節點，[]a、[r為幕函數，a，丫是可訪問度啟發式因子;Tu(t)為支路(i，j) 上的信息素濃度;nu為支路(i，j)的可訪問度，如下式所示：
，keN 且 k>l
[0035] 其中，yk-i為節點j上次循環產生的最優路徑對應的PID參數在二維坐標系中的縱 坐標值;N為仿真計算的總點數；
[0036] ③、計算各媽蟻的目標函數值Lk,并記錄PID控制器當前最優解，目標函數如下式：
[003引其中，tu為上升時間；e(i)為獎距角響應誤差;y(i)表獎距角響應;ey(i)=y(i)-y (；[-1)血、112、113、114為權值且114如2山表示媽蟻1^周游所確定的目標函數值；
[0039] ④、算法每迭代n次，即媽蟻完成一次周游，每條支路上的信息素濃度將根據下列 式子進行整體更新；
[0040] Tij(t+n) =pxij(t)+A Tij m
[0041 ] A句=2>4
[0042]其中，P為信息素殘留系數;m為媽蟻總數；A詩為第k只媽蟻在t時刻與t+n時刻之間 留在支路(i，j)上的信息素濃度，按下式計算：
若(i，j) e窠/f只媽蚊的周游過程 其它
[0044] 其中，D為媽蟻釋放的信息素濃度；
[0045] 本發明使用的蟻群算法采用一種局部信息素濃度更新策略，如下式所示 ^ (0 -10/聽若本次迭代中有m / 3只媽蟻選擇同一支路（i，j)或有m / 5只
[0046] r,j(? + fl)= 蝸蟻選擇該路徑后終止本次迭代的周游 r.j(0 + l/% 其它
[0047] ⑤、循環次數Nc = Nc+l，判斷Nc是否小于N，若是，則轉至第2步繼續循環，若否，則輸 出PID控制器最優解。
[004引上述大型風電機組的蟻群PID獨立變獎控制方法，所述步驟4)中，獨立變獎獎距角 尚和尚經過科爾曼逆變換變換成不同獎葉的優化獎距角広、私、0Z，將優化獎距角広、的、抗與 統一變獎獎距角e0進行比較分析，即& =広+00，阮=的+00，03 =氏+00，從而得到獎距角控制 信號&、&、抗，完成風電機組獨立變獎的執行動作。
[0049] 本發明的有益效果在于:本發明采用二維坐標系初始化PID參數節點，通過設定目 標函數令蟻群算法捜尋最優路徑，自適應調整傳統PI閲蟲立變獎控制器的參數，來改善其輸 出的d、q坐標系下的獨立變獎獎距角給定值，經過科爾曼逆變換變換成不同獎葉的優化獎 距角給定，然后與統一變獎獎距角給定進行比較分析，得到獎距角控制信號，完成風電機組 獨立變獎的執行動作，整個控制過程中采用智能算法結合傳統PID控制器的方法，既具有自 適應性，并且靜態性能良好;采用的控制器結構簡單，容易應用于實際中，適用范圍廣;采用 此控制方法提高大型風電機組變獎控制系統的動態性能，能更好的應對陣風的影響，并且 降低了獎葉、機艙、塔架等風電機組關鍵部件的不平衡載荷，使風電機組的功率輸出更為平 滑，提高了風機壽命。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發明的控制原理圖。
[0051] 圖2為本發明的蟻群算法流程圖。
[0052] 圖3為本發明的蟻群算法尋優PID參數的過程圖。
【具體實施方式】
[0053] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0054] 如圖1所示，本發明包括W下步驟：
[0055] 1)建立風電機組的載荷模型，計算風電機組獎葉旋轉坐標系下的拍打力矩Mi、M2、 Ms；
[0056] 為了更好地控制風電機組的載荷進而穩定其振動狀態即功率，選擇的控制對象是 發電機輸出功率、風輪轉矩、轉速和載荷，首先建立風電機組的載荷模型，葉根彎矩變化量 的線性模型為：
[0化7] AMi = k0i+hwi [0化引 AM2 = k02+hw2
[0059] AM3 = k03+hw3
[0060] 其中，All、AM2、AM3是葉根彎矩的變化量;為別為S個獎葉的獎距角；系 數k、h是風機處于某個穩定運行點時，葉根彎矩對獎距角、瞬時風速的導數;W1、W2、W3是3個 獎葉的相對風速變化量，其計算公式如下：
[0061] Wi = Vi-X
[0062] 其中，X是輪穀中屯、的軸向位移，i為風電機組的葉片數，Wi為第i片獎葉的相對風 速變化量，Vi為第i片獎葉上的絕對風速。
[0063] 2)對拍打力矩Mi、M2、M3進行科爾曼坐標變換，變換成d、q坐標軸下的偏航彎矩Md和 俯仰彎矩Mq;
[0064] 根據空氣動力學原理，風電機組的偏航彎矩Md和俯仰彎矩Mq分別為：
[0067]其中，
表示輪穀軸向位移的速度，定義第一個獎葉的方位角為0，當其轉置水平 位置時0 = 0°，01為第i個獎葉的方位角：
[0069]將獎距角和葉根載荷進行變換，其簡化模型為：
[0072] 其中広(t)、的(t)、氏（t)為不同獎葉的