基于自适应PI控制方法的海上浮式风机独立变桨控制研究

摘要

随着对能源需求的日益增加，新能源的发展日新月异。海上风能由于其资源丰富，视觉、噪音污染小，不占用土地资源与适宜大规模开发利用等特点，成为当今相对较新且具有挑战性的研究领域。漂浮式风电机组作为一类适用于深海风能开发的风电机组，得到广泛的重视。然而，由于其运行环境复杂性、系统参数不确定性、风波浪与结构之间的耦合作用，迫切需要先进控制方法来保持输出功率稳定并减小机组载荷，独立变桨距控制技术应运而生。该方法能够有效减小机组载荷，解决由塔影效应、风剪切效应等外部干扰因素造成的机组叶片及塔架等部件载荷在时间与空间上分布不均匀的问题，同时能够保持输出功率稳定。此外，由于浮式风机工作环境的复杂性及维护修理的不便性，设计可靠、先进并具有一定容错能力的控制方法对浮式风机变桨距系统进行控制具有重要的理论意义及应用价值。本论文针对海上浮式风电机组的独立变桨距控制问题行深入研究，完成的主要研究工作有：
　　①研究海上浮式风电机组控制设计中的风能转换原理、风速特性、流体动力学特性及变桨距控制过程基本原理。通过分析塔影效应与风剪切效应对风速特性的影响，给出机组在不同风速区域内的运行控制策略原理，指明机组独立变桨距控制设计对于机组运行稳定的影响及意义。
　　②针对浮式风机独立变桨距系统的非线性及参数的不确定性等特点，结合机组叶片承受轴向不平衡气动载荷的动态减载问题，对叶片受力情况进行分析，建立更加精确的非线性动态系统模型，为控制器的设计打下基础。
　　③基于机组叶片承受轴向不平衡气动载荷的动态减载问题，设计适用于多输入多输出非线性动态系统的鲁棒自适应PI跟踪控制方法，对机组进行可靠的独立变桨距控制，实现最终一致有界稳定跟踪控制，保证风机输出功率的稳定性。基于NREL FAST仿真平台，以5 MW张力腿式浮式风机为对象进行仿真分析，验证该控制方法的有效性。
　　④考虑执行器故障与外部扰动的影响，建立系统故障模型。设计鲁棒自适应容错PI跟踪控制方法，实现系统在发生执行器故障时，仍能使实际桨距角对期望值进行最终一致有界跟踪，且使系统性能保持稳定，改善机组输出电能质量。通过基于FAST仿真平台的仿真分析，验证了该控制方法具有良好的控制效果及容错能力。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 本论文主要工作

2 浮式风机变桨距控制原理及建模

2.1 引言

2.2 风能转换原理

2.3 风速特性

2.4 流体动力学特性

2.5 独立变桨距控制原理

2.6 独立变桨距控制系统建模

2.7 本章小结

3 独立变桨距控制器设计

3.1 引言

3.2 鲁棒自适应PI控制器设计

3.3 稳定性分析

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

4 执行器故障下独立变桨距控制器设计

4.1 引言

4.2 鲁棒自适应容错PI控制器设计

4.3 稳定性分析

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录