大型风力发电机在随机扰动下的自适应控制研究

摘要

随着传统能源资源，尤其是化石能源已经引起了越来越多的环境问题，并且由于其不可再生性，资源紧缺的问题将在未来越来越明显。在近些年，为了满足日益增长的能源需求，可再生能源得到了飞速的发展和应用。其中，由于风能成本低廉，储量巨大等优点，在新能源中发展较快也更为成熟。然而，随着逐年不断增长的装机量和不断增大的单机容量，这对于风力发电机的控制系统提出了更高的挑战。由于风能本身具有随机性和不确定性，大型风机使用传统的控制方法并不能获得理想的控制效果。同时前人的研究大多建立的理想的情况下，本文分析了风能的随机性，使用鲁棒自适应控制理论，解决了风机在有随机扰动环境下的稳定性问题。
　　首先，本文对风机的空气动力学和主要控制技术进行了探讨，对于大型风机的结构和特性进行了较为详细的介绍，在此基础上，对风机的运行过程进行了分析。然后结合随机过程，引入了随机系统这一概念，阐述了随机系统和普通系统的区别，对用于随机分析的伊藤公式做了充分的证明。
　　其次，在充分考虑风机中的随机扰动后，对风机在随机微分下进行了数学建模。应用鲁棒自适应控制算法，实现了具有鲁棒性和自适应性的控制效果，对消除系统中参数不确定性和随机扰动都有很好的效果。
　　最后，为了优化控制效果，使风机既能够最大化地捕获风能又能最小化随机风引起的疲劳载荷及功率波动，提出了基于扩展卡尔曼滤波的线性二次型高斯控制方法。该控制策略以扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EKF)估计出的平均有效风速作为增益调度变量，根据风电机组稳态工作点的变化，自适应调整控制器参数，使得在每个工作点都能实现最优控制。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 国内外风电发展现状

1．2 风机的控制技术

1．2．1 定桨距失速风力发电技术

1．2．2 变桨距风力发电技术

1．2．3 主动失速／混合失速发电技术

1．2．4 变速风力发电技术

1．3 本文研究内容

2 大型风力发电机的特性分析

2．1 风力发电机的构成

2．2 变速风力发电机的运行状态

2．3 空气动力学

2．3．1 风能的计算

2．3．2 风能利用系数

2．3．3 叶素动量理论

2．4 变速风力发电机的控制技术

2．5 最大功率点跟踪(MPPT)控制

2．6 风的模型

2．6．1 风剪

2．6．2 塔影

2．5．3 随机扰动

2．7 随机系统

2．7．1 随机系统的概念

2．7．2 布朗运动

2．7．3 随机微分方程

2．7．4 伊藤公式

3 基于鲁棒自适应的转速跟踪器设计

3．1 风机传动系统链等效模型

3．2 控制目标

3．3 非线性控制器设计

3．4 稳定性证明

3．5 仿真验证

3．6 本章总结

4 基于扩展卡尔曼滤波的LQG控制

4．1 风机模型

4．2 模型线性化

4．3 LQG控制器设计

4．3．1 静态控制

4．3．2 动态最优控制

4．4 仿真验证

4．5 本章总结

5 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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