基于状态空间的控制策略在变速恒频风力发电机组上的应用研究

摘要

随着降低风能成本的需求，风力发电机趋于大型化。风力发电机从最初的几十千瓦，到兆瓦级再到十兆瓦，乃至Upwind正在设计的20兆瓦样机。大型化无疑存在一股不可抵抗的魅力，大型的风力发电机组降低了制造，运输以及维护的成本。但大型化是一把双刃剑，越来越大的风力发电机也带来了越来越严峻的工程考验。更大的风轮直径使得风剪、湍流以及塔影的影响变得更加严重，导致风轮平面的不平衡载荷也更加的严重。加上叶片本身质量更大，跨度更长，安装误差导致的载荷也会被放大。因此传统的单目标控制方法所能达到的效果已经不能满足现实的需求。稳定转速已经成为了最基本的要求，人们更希望控制系统能使风力发电机获得更稳定的功率输出，更小的载荷波动，更低的振动幅度。基于状态空间的多目标现代控制方法使得实现这些多目标控制成为可能。
　　论文研究了变速恒频风力发电机组的模型建立，和线性化过程。在此基础上构建了风力发电机的状态空间方程。结合风机运行控制策略的分析，尝试了将现代控制方法应用到风力发电机上。针对大型风力发电机受风剪，湍流等影响导致不平衡载荷，以及传动链阻尼过小等问题进行了相应的研究。
　　传统的风力发电机的控制方法通常高于额定风速区域采用恒定的转矩，并通过变桨PI控制限制风轮转速进而限制风能的吸收。恒定的转矩控制导致传动链模态阻尼很小，容易激起扭转振动，从而导致传动链扭矩大幅度的波动。针对这一问题,文中采用LQR方法设计转矩控制器，建立传动链系统的状态空间模型，并配置系统的闭环极点，使其位于远离虚轴的左平面内，实现对传动链一阶模态动态加阻。
　　考虑风剪造成的1P不平衡载荷，文章采用LQR方法设计风力发电机的独立变桨控制器。结果表明：相对传统的PI统一变桨距控制，所提出的独立变桨距控制策略能够降低风剪条件下风力发电机组的主要部件。同时针对单纯的状态空间方法导致系统鲁棒性较差的问题，因此本文引入了带增益调度的统一变桨控制。在统一变桨的基础上附加独立变桨。结果验证了控制器良好的鲁棒性。

目录

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目录

1 绪 论

1.1课题研究的背景

1.2风力发电机组的控制技术

1.3 课题的研究意义

2 风力发电机组模型建立和仿真软件

2.1 风力机模型

2.2 FAST软件基础理论

2.3 FAST软件构架

3风力发电机组转矩优化控制策略

3.1 风力机传动链模型

3.2 LQR控制器设计

3.3仿真实验

3.4本章小结

4 风力发电机组独立变桨控制策略

4.1 风模型

4.2 变桨控制器的设计

4.3仿真结果

4.4结论

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目