风力发电系统模型预测变桨距控制策略研究

作     者：张天翼 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜萍

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：不平衡载荷 独立变桨控制 模型预测控制 遗忘因子递推最小二乘法 

摘      要：随着社会进步和科技发展,能源与环境问题越来越成为关注的重点。风能作为一种高效、清洁的可再生能源,在全球范围内得到广泛应用。 近年来,随着风力发电机容量的增大,塔架高度和叶片长度不断增加,导致叶片在旋转过程中受到的风切变效应、尾流效应的影响愈发严重,这些气流因素给风力发电机带来了不平衡载荷,引发了叶片的挥舞和摆振以及轮毂的俯仰和偏航,极大的影响了风力发电机运行的稳定性和安全性。为了保证风力发电机的稳定运行,除了提高设备本身的强度外,还应优化风力发电机的变桨距控制策略,减小叶片和轮毂所受的载荷。针对风力发电机的变桨距控制问题,本文研究工作如下: (1)基于叶素—动量理论对风力发电机叶片受力进行了分析,研究了风切变效应和尾流效应引起风力发电机不平衡载荷的原因,根据叶素—动量理论对叶片所受不平衡载荷进行了计算,并分析了不平衡载荷所引起的塔架俯仰和偏航。 (2)分析了风力发电机在不同工作区域内的变桨距运行模式以及统一变桨控制和独立变桨控制的原理。针对风力发电机所受到的不平衡载荷,设计了基于载荷反馈的独立变桨控制策略。将叶根弯矩经过Coleman坐标变换得到轮毂的俯仰力矩和偏航力矩,并将两个力矩作为反馈量分别利用PID进行控制。利用FAST和MATLAB\Simulink对系统进行联合仿真,结果显示相比统一变桨距控制,独立变桨控制能够更有效的减小叶片和轮毂的载荷。 (3)由于风力发电机系统复杂、风速变化过快等因素,PID控制难以达到良好的控制效果,并且桨距角变化过大造成执行器疲劳损伤。针对上述问题提出基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的独立变桨控制系统。首先对风力发电机进行数学建模,根据系统模型推导出MPC预测方程和代价函数,并利用滚动优化实现了系统的闭环控制。仿真结果表明,MPC在减小桨距角变化的同时,进一步降低叶片以及轮毂所受载荷。 (4)风力发电机系统具有时变性,使得MPC无法准确预测系统未来输出,从而影响MPC的控制效果。针对该问题,提出遗忘因子递推最小二乘法(Forgetting Factor Recursive Least Square,FFRLS)对风力发电机进行参数在线辨识,并实时更新MPC的预测方程以及代价函数。仿真结果显示,基于FFRLS在线辨识的MPC减小了对系统输出预测的误差,提高了MPC独立变桨的控制效果,减小了叶片和轮毂的载荷。