风力发电机组独立变桨鲁棒自适应桨距角跟踪控制

在全面考虑风力发电机组桨叶所受各种载荷的情况下,建立了含有时变不确定项、未知载荷干扰的桨叶动力学数学模型,该模型精确描述了桨叶系统的非线性动力学行为。模型存在很多不确定时变参数和未知干扰项,针对这一复杂多变的桨叶模型,采用鲁棒自适应控制方法,成功设计了独立桨距角跟踪控制器。利用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论,证明了系统的稳定性。采用Matlab/Simulink仿真软件,建立了风力机组桨叶动力学仿真模型。仿真结果表明,所设计的桨叶桨距角控制器,在系统参数和所受干扰完全未知、不确定且时变的情况下,能够快速跟踪期望的桨距角,表现出良好的鲁棒性。     

大型风力发电机组无模型独立变桨载荷控制

高风速时,为平衡大型风力机所受推力载荷,利用无模型控制不依赖系统数学模型的特性,针对难以准确建模的非线性风力机组,推导了风力机无模型输入输出关系方程。通过利用输入输出实测数据,在线递推估计风力机待估参数,给出了在线估值算法,导出了无模型独立变桨控制律的形式。在Matlab/Simulink上搭建了一3MW风力机组仿真平台,验证了无模型控制律的正确性和有效性。与传统PI独立变桨距载荷控制相比,在随机风和突变渐变风下,所给出的无模型控制方法,既能使载荷得到较好平衡,又能使风力机桨叶动作频率、幅度小。     

大型风力发电机组无模型独立变桨载荷控制

高风速时,为平衡大型风力机所受推力载荷,利用无模型控制不依赖系统数学模型的特性,针对难以准确建模的非线性风力机组,推导了风力机无模型输入输出关系方程。通过利用输入输出实测数据,在线递推估计风力机待估参数,给出了在线估值算法,导出了无模型独立变桨控制律的形式。在Matlab/Simulink上搭建了一3 MW风力机组仿真平台,验证了无模型控制律的正确性和有效性。与传统PI独立变桨距载荷控制相比,在随机风和突变渐变风下,所给出的无模型控制方法,既能使载荷得到较好平衡,又能使风力机桨叶动作频率、幅度小。     

风力发电机独立变桨控制技术系统级优化研究

针对目前独立变桨距风力发电机存在桨叶受力载荷过大、输出功率和电压不稳定的问题,采用模型参考自适应控制方法进行控制器优化,研究了风力发电机独立变桨优化控制问题。讨论了模型参考自适应控制方法下参考模型选取的过程,根据Lyapunov稳定性理论对模型参考自适应控制器进行了设计,并将这一控制器应用在风力发电机的独立变桨距上。仿真结果表明,该控制方法不仅提高了变桨控制器的响应速度和跟踪精度,而且能够稳定输出功率和电压,同时也能够减少各桨叶的拍打震动。模型参考自适应控制器能够应用在风力发电机独立变桨距控制中,控制效果良好。     

大型风电机组的动态加权模糊独立变桨距控制

风力发电系统的数学模型具有高度非线性、时变、多变量和强耦合的特点。本文在分析机组特性和变桨距控制要求的基础上,将模糊控制与PID控制相结合,提出一种应用于独立变桨距的模糊PID参数自整定控制器设计方案,并且针对独立变桨距控制系统的稳态功率与减小桨叶受力两个目标,提出一种基于目标的动态加权模糊控制方法。通过仿真证明,在风速高于额定风速时,可以根据风速的变化调整桨叶的桨距角,从而保证在发电机输出功率稳定的前提下,减小桨叶承受的气动载荷。     

基于泛模型的风电机组恒功率预测控制仿真研究

为平滑风力发电系统额定风速上输出功率的波动,应用关于风剪切及塔影效应的空气动力学理论对叶片载荷进行深入分析,得出风力机桨叶不平衡摆振载荷是输出功率波动的主要原因。针对叶片的非线性耦合特性、被控对象无法准确建模、不确定因素作用及强外界扰动带来的问题,采用泛模型预测的独立变桨控制策略,解决了输出功率波动问题。以3 MW风电机组为研究对象,进行泛模型预测独立变桨控制策略仿真试验,结果表明,相比传统的统一变桨控制,泛模型预测独立变桨控制不仅可以使风力机输出功率的波动大大减小,还能减弱甚至消除由于不平衡载荷带来的疲劳、振动、动力稳定性差等问题。     

抑制风力机疲劳载荷的直接比例谐振独立变桨控制策略

为减小由叶轮扫略面内风速不均衡导致的风力机疲劳载荷,提出一种无需科尔曼坐标变换的直接独立变桨控制策略。首先,基于风力机叶片旋转坐标系和轮毂静止坐标系之间的关系,分析了叶根弯矩谐波载荷对轮毂载荷的影响规律及其抑制机理;其次,为抑制风力机谐波载荷并减少传统独立变桨控制策略倾覆和偏航力矩之间的耦合影响,提出基于单个叶根弯矩的直接比例谐振(PR)独立变桨控制策略,通过建立周期时变叶片系统的平均线性化模型,设计了相位补偿器和控制器参数,并对所提控制策略在系统参数时变情况下的稳定性进行了频域分析;最后,建立基于Turb Sim-FAST-MATLAB/Simulink风电机组载荷及控制联合仿真模型,分析了某1.5 MW风力机在湍流风作用下的疲劳载荷特性以及不同变桨控制策略的疲劳载荷抑制效果。结果表明,与常规统一变桨控制策略相比,所提直接PR独立变桨控制策略能有效抑制风力机疲劳载荷,且其对机组有功功率输出几乎无影响。     

减小桨叶载荷的风电独立变桨优化控制模型

针对超额定风速下运行的变速变桨风电机组,研究在维持功率额定的条件下,如何减小风剪切效应所引起的不平衡载荷,从而延长风机寿命。首先依据空气动力学原理,以不平衡载荷最小为优化目标,保证输出功率与额定功率的偏差在一定范围内为约束条件,建立载荷优化模型;然后采用非线性最小二乘法,以统一变桨距角为初值,优化计算得到3个桨叶对应的最优桨距角,以该角度为参考值分别进行独立变桨距控制。仿真结果表明,与传统变桨距控制方法相比,所提模型在保证功率维持在额定值附近的前提下,大幅度减少了不平衡载荷,且避免了频繁变桨。     

基于扰动调节控制器的风力发电机独立变桨距研究

本文将风力机的独立变浆距控制分成两部分设计：一是集中变桨距控制部分;一是修正变浆距控制部分。利用非线性PID控制设计集中变桨距控制器,使风力发电机组的输出功率稳定在额定值附近;利用基于扰动调节控制（Disturb＆rice Accommod＆ting Control简称DAC）器得到修正桨距角,减小风力机各叶片上的载荷。将各叶片的修正桨距角与集中桨距角之和作为对应叶片的独立桨距角输入风力机,实现了对风力机各叶片的独立变桨距控制。     

基于最小化多变量的独立变桨距控制研究

针对大型风力机桨叶承受载荷不均匀的问题,在研究传统的统一变桨距控制策略的基础上,提出了一种基于最小化多变量的优化独立变桨距控制策略。以将风力机桨叶桨距角与发电机转速为控制变量,同时实现多变量最小化,再结合独立变桨距控制,利用bladed软件对该控制策略进行仿真。通过仿真结果验证可知,在风力发电机组获得最大功率情况下,相比传统的变桨距控制策略,该控制策略具有很好的鲁棒性和更好的减载效果,弥补了统一变桨距控制的不足,完全符合大型风力发电机组对桨叶载荷控制的目的。     

3MW风电机组变桨距无模型控制

随着风电机组装机容量的迅速增加,电网对风电机组的电能品质提出了更高的要求,而功率波动是影响风电机组电能品质的一个重要问题。考虑到风电机组变桨控制中的桨距角和机组功率的非线性关系和外界扰动问题,为了减小风电机组功率波动,基于无模型自适应(MFA)控制理论设计了风电机组变桨无模型控制器,不依赖于风电机组精确的数学模型。为了验证无模型变桨控制器的性能,以3MW双馈风电机组为控制对象在Sinmulink中对该算法进行了仿真并和广泛应用的PID变桨控制器进行了对比。仿真结果表明无模型变桨控制器较好地解决了风电机组变桨控制中的非线性和外界扰动问题,风电机组输出的功率波动明显小于PID控制器。     

大型风机的电伺服独立变桨控制系统研究

针对大型风机桨叶负荷波动和变桨控制系统对位置精确控制的特殊需求,在风机的空气动力学的基础上,理论分析并计算了桨叶的变桨距载荷,并以此为依据对伺服电机选型,基于提出的模糊自适应PID控制策略,设计了电伺服变桨控制系统的位置控制器,使其满足高性能伺服系统的精确桨叶位置和快速动态响应等性能要求。在上述研究基础上,搭建了电伺服独立变桨驱动控制系统的硬件平台。实验结果不仅验证了电伺服控制策略的正确性和有效性,而且证明了所设计的电伺服独立驱动控制系统能够实现精确定位和快速跟踪,满足大型风机变桨所需的响应速度和伺服精度。     

大型风电机组模糊滑模鲁棒控制器设计与仿真

目前大型风力发电机组(功率在1 MW以上)普遍采用变速-变桨距控制机构,其主要目的是提高风机的响应速度,同时获得最大功率。但是由于风速和风向是时刻变化的,所以风机发出的功率也是时刻变化的。另外,由于一些不确定因素的存在,整个风能转换系统具有很强的非线性。模糊控制无需精确的数学模型,滑模控制能提高系统的鲁棒性和稳定性。该文设计了一种基于模糊滑模控制理论的控制器,同时使用仿真软件建立了1.5 MW变速-变桨距风机仿真模型。仿真结果表明,模糊滑模控制器可使风机系统减小静态误差,弥补非线性带来的影响,且具有很好的鲁棒性。     

无模型控制器在风电变桨控制系统中的应用

由于风速、风向的随机性导致风力发电变桨距系统具有非线性、强耦合、大时滞等特点,难以准确建模。为改善系统动态性能,保证发电机输出功率恒定,将无模型控制器引入到风力发电变桨系统中。采用MATLAB软件的Simulink工具构建该模型并仿真。结果表明,在高风速段和额定风速附近,发生相同的风速变化值,无模型变桨控制系统通过桨距角的不同调节可以很快实现发电机的恒功率输出。另一方面,本文将该控制系统应用于风力发电机组运行测试,其运行结果与模拟结果一致。因此,本文设计的无模型变桨系统控制效果良好,优化了风电系统的稳定性。     

大型风电机组的比例-积分-谐振独立变桨距控制策略

提出一种用于降低风轮不平衡载荷的比例-积分-谐振独立变桨距控制策略,该控制器由比例-积分控制器和谐振控制器两部分组成,其中比例-积分控制器用于抑制不平衡载荷的1p(风轮旋转频率的倍数)分量,谐振控制器则用于抑制不平衡载荷的高频分量(2p、4p)。采用FAST软件对所提出的控制策略进行了仿真验证,仿真结果表明所提出的控制策略可以在传统比例-积分控制的基础上,进一步降低风轮所承受的高频不平衡载荷。     

大型风机的独立变桨控制方法

为了缓解风力发电机组由于风速扰动所造成的疲劳载荷,给出了一种基于RBF神经网络滑模独立变桨控制策略。通过分析风力机的基本特性,提出将RBF神经网络滑模功率控制单元和独立变桨控制单元相结合的控制方式。RBF神经网络滑模功率控制单元通过对发电机电磁转矩及桨叶桨距角的控制来平衡风力机的气动转矩,使风轮保持额度转速,实现稳定风电机组的输出功率的目的。而RBF神经网络独立变桨滑模控制单元通过实时微调风机桨距角,来优化功率控制单元的统一桨距角信号,实现缓解风机结构疲劳载荷的目的。最后,通过建立基于RBF神经网络滑模独立变桨控制的风力发电机组进行相应的仿真与实验,证明基于RBF神经网络功率控制和独立变桨滑模控制相结合的方法具有良好的控制效果,稳定风机输出功率的同时,极大地缓解风机的结构载荷,降低风力发电机组的维护成本。     

Research on individual pitch control below rated wind speed

The structure of the modern wind turbine is becoming larger and more complex, with the wind rotor exceeding hundreds of meters in diameter. The blade shear force is also becoming increasingly serious below the rated wind speed, which leads to structure fatigue loads and instability of the generator power. For improving the dynamic performance of large wind turbines, it was proposed that individual pitch control (IPC) method was operated below the rated wind speed. In this paper, we analyze the relationship between the aerodynamic characteristics of blades and the nonlinear time‐varying pitch control system based on wind shear and the tower shadow effect. The combination of IPC and torque control is used to optimize the control mode of the wind turbine. By fine‐tuning the pitch angle, the unbalanced force on the wind rotor was relieved to achieve the purpose of mitigating fatigue loads. Finally, our experimental results prove the validity of the proposed IPC method below the rated wind speed by showing that it can improve power quality and reduce fatigue loads of the key components without reducing the generator output power. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于风剪效应的独立变桨控制对漂浮式风力发电机性能的影响

随着风力发电机塔架高度以及叶片尺寸的增大,风剪效应对风力发电机性能的影响越来越显著,为此提出了基于风剪效应的独立变桨控制策略。分析了漂浮式风力发电机支撑结构的动力学模型,结合针对陆上风力发电机提出的基于风剪效应的独立变桨控制策略,并使用线性二次型调节技术（linear quadratic regulator, LQR）分别对3种漂浮式风力发电机的独立变桨控制器进行了设计,在Matlab/Simulink软件中搭建仿真模型并与Fast软件进行联合仿真。仿真结果表明：所采用的独立变桨控制策略对3种形式的风力发电机的功率、纵摇运动影响并不相同。独立变桨控制策略可以明显降低单柱式风力发电机的功率波动,但对张力腿式和驳船式风力发电机来说效果不明显甚至变得更差;而对于漂浮式风力发电机的纵摇运动来说,独立变桨和统一变桨控制策略对单柱式和张力腿式风力发电机的影响差别不明显,而对驳船式风力发电机来说,独立变桨控制策略使其纵摇角度变得更大。