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

发布时间：2017-08-14 15:10

  本文关键词：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

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【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。
【关键词】：独立变桨距 容错控制 PI控制 浮式风机 执行器故障
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 引言8-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 海上漂浮式风电研究现状10-11
• 1.2.2 变桨距控制研究现状11-12
• 1.2.3 容错控制方法研究现状12-13
• 1.3 研究目的及意义13-15
• 1.4 本论文主要工作15-18
• 2 浮式风机变桨距控制原理及建模18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 风能转换原理18-21
• 2.3 风速特性21-24
• 2.3.1 风剪切效应22
• 2.3.2 塔影效应22-24
• 2.4 流体动力学特性24-26
• 2.5 独立变桨距控制原理26-27
• 2.6 独立变桨距控制系统建模27-33
• 2.6.1 系统模型建立27-30
• 2.6.2 仿真平台30-33
• 2.7 本章小结33-34
• 3 独立变桨距控制器设计34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 鲁棒自适应PI控制器设计34-38
• 3.2.1 问题描述34-37
• 3.2.2 控制器设计37-38
• 3.3 稳定性分析38-40
• 3.4 仿真分析40-47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 执行器故障下独立变桨距控制器设计48-64
• 4.1 引言48-49
• 4.2 鲁棒自适应容错PI控制器设计49-51
• 4.2.1 问题描述49-51
• 4.2.2 控制器设计51
• 4.3 稳定性分析51-54
• 4.4 仿真分析54-62
• 4.5 本章小结62-64
• 5 总结与展望64-66
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-66
• 致谢66-68
• 参考文献68-74
• 附录74
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录74
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录74

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本文编号：673284