双馈风电机组模型预测控制研究

【摘要】：随着双馈风电机组向大容量、高性能的目标发展,研制出可靠稳定、优化运行的双馈风电机组控制系统,是当前风电机组控制应用领域研究的热点。在双馈风电机组的速度调节和增加结构模态阻尼减小机组载荷之间取得协调,达到整体性能的优化是控制研究的重点。本文针对双馈风电机组减少动态载荷实现高效稳定控制提出一种多状态模型预测控制策略,以减小机组传动链扭振、叶片平面外一阶挥舞和塔筒前后一阶摆动为目标,进行变矩和变桨模型预测控制系统的设计研究,论文主要工作如下： 针对双馈风电机组多自由度耦合问题,本文在常规风电机组3状态模型的基础上,找出影响机组运行的其他因素并加以量化,根据控制目标的不同,选择不同的状态变量。充分考虑风轮旋转、传动链扭振、叶片平面外一阶挥舞和塔筒前后一阶摆动四个自由度对机组的影响,建立了变桨控制7状态模型以及转矩控制3状态模型。模型能够描述机组的关键动力学特性,适合于在控制器设计与开发中应用。 提出了一种模型预测控制算法来抑制风速扰动的动态响应。在预测的未来输出和优化控制目标函数中考虑了风速扰动的作用,增加了对可测风扰动的计算,全面推导了增加风扰动抑制效果的双馈风电机组模型预测控制算法计算过程,实现了在控制系统中对风速扰动的前馈补偿。 为了减小双馈风电机组传动链、叶片和塔筒三个主要柔性部件所承受的载荷,建立具有风扰动抑制的模型预测控制器,利用变桨控制增加传动链扭振、叶片一阶挥舞和塔筒前后一阶摆动这三个自由度的阻尼,通过选择合适的目标权重矩阵,调节对每个自由度所加阻尼的比重程度。在额定风速附近风速段,针对叶片桨距角对传动链扭振模态的可控性减弱问题,采用调节发电机转矩增加传动链扭振阻尼。 首次建立了双馈风电机组联合运动仿真环境,克服单一仿真环境下不能同时兼顾机组空气动力特性、机械特性和控制策略的问题,利用AeroDyn软件计算空气动力特性,FAST软件计算机械结构动态,MATLAB软件设计控制算法,降低单一环境下仿真研究的片面性。三者联合仿真同时兼顾了双馈风电机组各方面的动态,使仿真更加接近真实,便于控制器的设计和验证,为机组的实际应用打下基础。 针对本文所设计的3MW双馈风电机组控制器,开展了试验研究。结合本文所建立的多状态模型预测控制器,通过与当前市场应用的变增益PI控制进行对比,模型预测控制算法在减小风电机组传动链扭振、叶片挥舞和塔筒前后摆动方面效果明显,验证了本文所采用的算法的可行性,改善了双馈风电机组的控制性能和动态载荷。 【关键词】：双馈 风电机组 模型预测控制 载荷控制 变桨距控制
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 引言12-13
• 1.2 风电机组载荷与控制的关系13-15
• 1.3 风电机组控制系统构成15-16
• 1.4 风电机组控制策略综述16-19
• 1.5 模型预测控制的研究现状19-20
• 1.6 论文研究的主要工作20-23
• 第二章 双馈风电机组运行原理与控制23-39
• 2.1 引言23
• 2.2 双馈风电机组运行原理23-26
• 2.3 双馈风电机组控制器26-38
• 2.3.1 转矩控制设计26-28
• 2.3.2 变桨基本PID控制设计28-32
• 2.3.3 变桨PID增益调度设计32-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 双馈风电机组多自由度耦合线性模型39-61
• 3.1 引言39
• 3.2 3MW双馈风电机组39-40
• 3.3 双馈风电机组主要自由度40-43
• 3.4 不同自由度数学模型43-60
• 3.4.1 变桨控制1状态线性模型44-46
• 3.4.2 变桨控制3状态线性模型46-49
• 3.4.3 变桨控制5状态线性模型49-55
• 3.4.4 变桨控制7状态线性模型55-58
• 3.4.5 转矩控制3状态线性模型58-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第四章 风扰动抑制模型预测控制研究61-74
• 4.1 引言61
• 4.2 模型预测控制机理61-65
• 4.3 双馈风电机组模型预测算法65-72
• 4.3.1 预测模型66
• 4.3.2 滚动优化66-69
• 4.3.3 优化函数计算69-71
• 4.3.4 状态观测器71-72
• 4.4 双馈风电机组预测控制器设计步骤72-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 双馈风电机组联合运动仿真与模型预测控制实现74-101
• 5.1 引言74
• 5.2 双馈风电机组联合运动仿真74-80
• 5.2.1 基于AeroDyn的空气动力模型75-77
• 5.2.2 基于FAST的机械动态模型77-79
• 5.2.3 基于MATLAB的控制系统模型79-80
• 5.3 速度调节变桨MPC设计80-87
• 5.3.1 预测时域和控制时域选择81-83
• 5.3.2 与变增益PI控制进行比较83-86
• 5.3.3 增加未考虑模态的响应86-87
• 5.4 传动链阻尼变桨MPC设计87-90
• 5.4.1 增加传动链扭振阻尼后效果88
• 5.4.2 增加未考虑模态的响应88-90
• 5.5 叶片挥舞阻尼变桨MPC设计90-94
• 5.5.1 验证叶片挥舞阻尼的效果91-92
• 5.5.2 增加未考虑模态的响应92-94
• 5.6 塔筒前后阻尼变桨MPC设计94-96
• 5.7 传动链阻尼转矩MPC设计96-99
• 5.7.1 传动链扭振可控性96-97
• 5.7.2 控制目标与控制器实现97-98
• 5.7.3 控制效果验证98-99
• 5.8 总体控制方案99-100
• 5.9 本章小结100-101
• 第六章 3MW双馈风电机组试验研究101-110
• 6.1 引言101
• 6.2 3MW双馈风电机组硬件描述101-102
• 6.3 3MW双馈风电机组试验方案102-105
• 6.3.1 工厂安装完成后的机组情况102-103
• 6.3.2 软件模拟部分103
• 6.3.3 试验拖动部分103-105
• 6.4 3MW双馈风电机组试验过程105-108
• 6.5 本章小结108-110
• 第七章 结论110-112
• 参考文献112-116
• 在学研究成果116-117
• 致谢117

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