面向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的非線性自適應(yīng)控制方法研究.pdf

1、地球是我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存的家園，煤炭、石油作為兩種廣泛使用的傳統(tǒng)能源，正不斷污染著我們周?chē)沫h(huán)境。由古代植物和低等生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間演變而形成的煤、石油一旦耗竭，也會(huì)給我們?nèi)祟?lèi)的可持續(xù)發(fā)展造成極大威脅。風(fēng)能作為一種清潔、可再生資源，已越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以它環(huán)境友好、具有潛在地較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等特點(diǎn)，被認(rèn)為是解決人類(lèi)能源危機(jī)的重要途徑之一。
　　在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，控制技術(shù)是其核心技術(shù)，特別是隨著大容量海上風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)

2、發(fā)，控制技術(shù)與整機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)系更為緊密。由于風(fēng)的隨機(jī)性造成的空氣動(dòng)力學(xué)不確定性;電力電子的復(fù)雜性（如晶閘管的非線性特性），風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型確定十分困難。如雷諾數(shù)的變化、槳葉沉積物、下雨等都會(huì)造成功率數(shù)的變化，其它諸如老化、大氣條件和電網(wǎng)等因素在機(jī)組能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中也會(huì)造成不同程度的影響。各種因素的不確定性使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為一個(gè)不確定性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，這給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)和控制提出了諸多挑戰(zhàn)。本文結(jié)合該方向的最新研究成果，以面向大型風(fēng)力

3、發(fā)電機(jī)組的非線性自適應(yīng)控制算法為核心內(nèi)容，工作和貢獻(xiàn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述:
　　1.簡(jiǎn)要回顧風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的相關(guān)研究背景、概述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　2.研究變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率捕獲問(wèn)題?？刂颇繕?biāo)為通過(guò)跟蹤理想功率軌跡優(yōu)化機(jī)組功率輸出。所設(shè)計(jì)控制器可以保證任意的穩(wěn)態(tài)性能，即跟蹤誤差收斂到足夠小區(qū)域中。此外，為了最大化機(jī)組的功率輸出，所設(shè)計(jì)控制器同時(shí)可以保證系統(tǒng)的瞬態(tài)性能（如收斂時(shí)間大于任意指定值，超調(diào)量不超過(guò)指定閾值

4、）。首先，當(dāng)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩已知時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自適應(yīng)控制器。其次，利用在線逼近器估計(jì)不確定的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，消除了控制器對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的依賴(lài)。通過(guò)引入誤差轉(zhuǎn)化技術(shù)所設(shè)計(jì)的控制器可以保證預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也通過(guò)李雅普諾夫原理得以證明。最后，利用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的FAST軟件在1.5 MW機(jī)組上驗(yàn)證了算法的有效性。
　　3.研究有效風(fēng)速估計(jì)不精確時(shí)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率捕獲問(wèn)題?？刂颇繕?biāo)為通過(guò)跟蹤理想功率軌跡來(lái)優(yōu)化機(jī)組功率捕獲。首先

5、，當(dāng)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩先驗(yàn)知識(shí)已知時(shí)，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制器，該自適應(yīng)控制器可以在線辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)，不需要系統(tǒng)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)。同時(shí)，該控制器利用一個(gè)改進(jìn)的魯棒因子避免了可能造成較大機(jī)械負(fù)荷的輸入轉(zhuǎn)矩抖振現(xiàn)象。此外，利用一個(gè)在線逼近器去學(xué)習(xí)含氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的未知系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，消除了控制器對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的依賴(lài)。所設(shè)計(jì)的兩種控制器在有效風(fēng)速不精確的狀況下都可以提供較好的系統(tǒng)性能。系統(tǒng)跟蹤誤差可以保證收斂到零附近任意小區(qū)域中。
　　4.研究雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率

6、控制問(wèn)題。控制目標(biāo)為優(yōu)化風(fēng)能捕獲和調(diào)節(jié)無(wú)功功率以滿足電網(wǎng)需求。首先，為了優(yōu)化風(fēng)能捕獲，設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩跟隨其通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法產(chǎn)生的參考轉(zhuǎn)矩。然后，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)無(wú)功控制器來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率以滿足電網(wǎng)要求。與大多數(shù)現(xiàn)有的研究相比，所設(shè)計(jì)的控制器可以對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能及瞬態(tài)性能進(jìn)行量化。此系統(tǒng)，通過(guò)李雅普諾夫原理證明了其穩(wěn)定性，算法的有效性也通過(guò)仿真得以驗(yàn)證。
　　5.研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高風(fēng)速段下的變槳距控

7、制策略。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在高風(fēng)速段時(shí)，其模型是一個(gè)非仿射的非線性模型。由于非仿射系統(tǒng)中不存在顯式的控制輸入，使得控制輸入的設(shè)計(jì)變得十分困難。本文首先對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行階數(shù)提升，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能變槳控制策略。此外，綜合輸出轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，提出了一種風(fēng)輪轉(zhuǎn)速帶預(yù)設(shè)界的智能變槳控制策略，該策略不僅克服了系統(tǒng)的非仿射特性和不確定性帶來(lái)的困難，而且保證了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速始終維持在其指定的上下界中。
　　最后對(duì)全文