基于鲁棒控制理论的风电机组塔架振动控制

摘要

能源始终伴随着人们的生活，随着工业化程度的提高，人们对能源的需求越来越大，但是地球上的化石能源是有限的，并且正在日益枯竭，人类面临着严峻的能源问题。因此，开发可再生能源成为世界各国的能源发展方向。在可再生能源中，风能因为分布范围广、开发难度低和清洁性被人类所重视。随着风电行业的发展，风电机组趋于大型化，塔架高度也越来越高，提升风电机组的发电稳定性与抑制塔架的振动成为风电行业发展中的关键。
　　本文以2MW双馈型风电机组为研究对象，基于鲁棒H∞控制理论，以提升发电功率的稳定性与抑制塔架扭转振动和前后方向振动为控制目标，设计变桨控制器。首先在Bladed软件中搭建风电机组模型，然后利用软件的线性化功能获得单个风速点处的风电机组线性化模型。将线性化模型进行处理，作矩阵变换，得到适用于鲁棒控制理论的状态空间模型。在Matlab中进行控制器的求解，同时与PI控制器进行对比，验证鲁棒控制器的幅频特性与阶跃响应性能。为了进一步验证鲁棒控制器的有效性，通过编写外部控制器程序，使用鲁棒控制器进行风电机组发电运行仿真实验，并与PI控制器的仿真实验结果进行对比。
　　通过仿真结果可以看出，在稳态风作用下，PI控制器与鲁棒控制器对于发电功率与塔架振动的控制效果差别不大。在湍流风的作用下，鲁棒控制器控制下的发电过程稳定性强于PI控制器控制下的发电过程稳定性，另外风电机组塔架的扭转振动与前后振动均得到了明显抑制，减少了塔架振动失稳的可能性，提高了机组运行的安全性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及控制算法介绍

1．2．1 风电机组运行控制技术

1．2．2 风电机组振动控制的发展

1．2．3 风电控制算法

1．3 本文主要研究内容

第2章 风力发电基本原理与状态切换逻辑

2．1 风力发电机组的基本结构

2．2 风电机组工作原理

2．2．1 风电机组的风能转换原理

2．2．2 风电机组重要参数

2．2．3 风轮动力学分析

2．3 变速变桨风电机组的运行控制策略

2．3．1 风电机组的变转矩控制

2．3．2 风电机组的变桨距控制

2．3．3 风电机组的控制模式切换

2．4 本章小结

第3章 风电机组的数学模型推导

3．1 风速模型

3．2 风轮模型

3．3 传动链模型

3．4 发电机模型

3．5 变桨模型

3．6 风电机组塔架模型

3．7 风电机组状态空间模型

3．8 本章小结

第4章 鲁棒控制理论与控制器设计

4．1 鲁棒控制理论

4．2 PI控制器参数设计

4．2．1 根轨迹与幅频特性分析

4．2．2 系统的阶跃响应

4．3 鲁棒控制器的设计

4．4 本章小结

第5章 仿真验证

5．1 稳态风风况下的仿真验证

5．2 湍流风风况下的仿真验证

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢