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基于在线辨识的电控旋翼桨距控制研究

基于在线辨识的电控旋翼桨距控制研究

作者：董维生南京航空航天大学

学位级别：硕士

电控旋翼是一种新概念旋翼操纵系统，代表了新一代旋翼的发展方向。本文针对电控旋翼桨距的自适应控制问题进行了相关研究，分别在时域和频域内利用相应的在线辨识方法开展了桨距控制的研究工作，还研究并验证了电控旋翼同时实现旋翼主... 详细信息

电控旋翼是一种新概念旋翼操纵系统，代表了新一代旋翼的发展方向。本文针对电控旋翼桨距的自适应控制问题进行了相关研究，分别在时域和频域内利用相应的在线辨识方法开展了桨距控制的研究工作，还研究并验证了电控旋翼同时实现旋翼主操纵和高阶谐波减振的可行性。本文主要研究内容包括：（1）为了提高原有的电控旋翼桨距时域自适应控制算法辨识环节误差信号的准确性和抗噪声能力，分别提出了缩放因子法和约束权函数法，进一步提出了桨距频域自适应控制算法，并通过理论建模对所提出的控制算法的收敛性进行了分析。（2）基于Matlab/Simulink建立了上述各种控制算法的仿真模型，分别验证了时域和频域桨距控制算法的正确性和有效性，总结了控制算法中重要参数对控制效果的影响，为试验研究奠定了基础。（3）为验证所提出的桨距控制算法，基于F2812DSP和Labview开发了一套测控软件。在电控旋翼试验台上进行了悬停状态下的桨距控制试验研究，对比分析了时域和频域两种桨距控制算法的优缺点。（4）针对电控旋翼同时实现旋翼主操纵和高阶谐波主动减振的要求，提出了基于FX-LMS的电控旋翼高阶谐波时域自适应控制律和基于全局辨识的高阶谐波频域自适应控制律，完成了理论推导和仿真研究。最后在悬停状态下开展了高阶谐波时域自适应控制律主动减振试验，试验结果证明了利用电控旋翼同时实现主操纵和高阶谐波减振的可行性。

关键词：电控旋翼后缘襟翼自适应滤波桨距控制高阶谐波主动控制最优控制

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基于桨距控制的电力系统频率响应特性

电力科学与工程 2018年第8期34卷 24-29页

作者：冯家铨陈堂贤唐红艳吕翔生三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002

风电一次调频辅助控制技术是解决高风电渗透率引起电力系统频率特性恶化的有效手段。基于桨距控制的一次调频辅助控制是实现风电机组高于额定风速时的一次调频方法,传统的SFR(System Frequency Response)模型已不能适应含该控制技术的... 详细信息

风电一次调频辅助控制技术是解决高风电渗透率引起电力系统频率特性恶化的有效手段。基于桨距控制的一次调频辅助控制是实现风电机组高于额定风速时的一次调频方法,传统的SFR(System Frequency Response)模型已不能适应含该控制技术的系统频率特性分析计算需求。对此采用传递函数模型定量表征风电场一次调频响应,结合再热式火电机组和水电机组的原动机—调速器模型,并针对含多个风电场/火电机组/水电机组的电力系统,基于加权等值法对各类型机组模型聚合,最终提出了含风电场桨距控制一次调频响应及水电/火电等值机组机电暂态行为的改进SFR解析计算等值模型。仿真结果表明,改进SFR模型能更真实地描述含风电桨距控制一次调频响应作用的电力系统频率特性,为客观评估高风电渗透率下的电力系统频率稳定运行状态提供了理论基础。

关键词：一次调频桨距控制改进SFR 频率特性

浮式海上风力机系统的超螺旋二阶滑模观测与控制研究

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浮式海上风力机系统的超螺旋二阶滑模观测与控制研究

作者：杨文祥山东交通学院

学位级别：硕士

海上风能作为一种高效的可再生能源近年来成为人们关注的焦点,随着海上风电迅速发展以及近海风能开发走向饱和,海上风电逐渐开始向远海地区建设,这带来的负面影响之一是过远的距离会造成风速传感器的定期检修和维护相对困难,同时,相比... 详细信息

海上风能作为一种高效的可再生能源近年来成为人们关注的焦点,随着海上风电迅速发展以及近海风能开发走向饱和,海上风电逐渐开始向远海地区建设,这带来的负面影响之一是过远的距离会造成风速传感器的定期检修和维护相对困难,同时,相比较于近海,远海的水深更深且海上环境更加复杂,远海风力机建设如果套用浅水区的固定式基础平台会导致成本剧增以及实施难度变大,浮式平台的开发应用虽然解决了这一问题,但其更容易受到风和波浪载荷的激励,浮式海上风力机系统是一个具有强非线性的和不确定性的多变量耦合系统,这使其对控制方案的鲁棒性要求更高。针对这些问题,提出应用于浮式海上风力机系统中的超螺旋二阶滑模观测与控制方案,避免使用风速传感器观测风速,增强浮式海上风力机控制的鲁棒性,提高浮式平台的稳定性以及降低风力机所受到的载荷。本文以5MW驳船型浮式海上风力机为研究对象并基于NREL开发的气动-水动-伺服-弹性开源软件FAST与MATLAB/Simulink进行联合仿真实验,具体研究内容如下:(1)针对浮式海上风力发电系统无传感器风速观测,提出一种自适应超螺旋二阶滑模观测方案,使用自适应超螺旋扩张状态观测器对浮式海上风力机空气动力转矩进行观测,通过观测到的转矩来推导出实时风速,达到减少风速传感器使用和检修成本的目的。自适应调整超螺旋扩张状态观测器的增益以应对海上环境的变化,更加实时准确的捕捉浮式海上风力机所处海上环境的风速信息,减少参数调整的工作量。(2)在风速介于切入风速和额定风速之间的低风速区,针对浮式海上风力机最大功率点跟踪以及载荷抑制问题,提出一种快速超螺旋滑模转矩控制方案。此方案通过在超螺旋算法中添加线性矫正项来应对浮式海上风力机工作时的线性增长扰动,使其可以同时处理原点附近的强扰动和远离原点的强扰动,增强对浮式海上风力机控制的鲁棒性以及提高其对海上复杂环境的适应能力,减小浮式海上风力机运行时塔架和叶片受到的载荷。(3)在介于额定风速和切出风速之间的高风速区,针对受环境干扰引起浮式平台运动而产生的疲劳结构载荷以及功率波动问题,提出一种基于自适应超螺旋扩张状态观测器的快速二阶滑模桨距复合控制方案,基于自适应超螺旋算法设计扩张状态观测器,自适应超螺旋扩张状态观测器观测增益设置为障碍函数,其可以自适应地调整增益对未知扰动进行观测,同时向控制输入提供实时反馈,将扰动对浮式海上风力机的影响降至最低,控制器采用快速超螺旋二阶滑模控制。该复合控制方案可以有效抑制浮式海上风力机平台运动、稳定发电机输出功率以及抑制塔架载荷,增强对环境的适应能力。

关键词：浮式海上风力机超螺旋二阶滑模风速观测最大功率点跟踪桨距控制

大型风力机恒功率桨距非线性PID控制方法研究

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太阳能学报 2012年第5期33卷 727-731页

作者：郑黎明林宇陈严吴捷华南理工大学电力学院广州510641 汕头大学能源所汕头515063

建立了基于功率/桨距敏感性的变桨系统模型,综合出桨距非线性PID控制方法。通过Bladed软件计算不同桨距角下功率变化的敏感性,在Bladed外部控制器条件下,获得该方法和固有方法下系统输出的对照结果并进行分析和总结。

关键词：风力机桨距控制非线性控制外部控制器

基于2种变速变桨距方法的双功率流风力发电系统功率控制

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电力自动化设备 2013年第9期33卷 123-129页

作者：朱瑛程明花为王伟东南大学电气工程学院江苏南京210096

在分析双功率流风力发电系统的工作原理及数学模型基础上,提出了基于此系统的2种变速变桨距功率控制策略,分别为功率PID变桨距及叶尖速比最大风能跟踪功率控制策略和转速PID变桨距及电流给定最大风能跟踪功率控制策略。分别建立了这2种... 详细信息

在分析双功率流风力发电系统的工作原理及数学模型基础上,提出了基于此系统的2种变速变桨距功率控制策略,分别为功率PID变桨距及叶尖速比最大风能跟踪功率控制策略和转速PID变桨距及电流给定最大风能跟踪功率控制策略。分别建立了这2种功率控制策略的仿真模型,同时通过仿真比较了这2种控制策略的优缺点。仿真结果表明转速PID变桨距及电流给定最大风能跟踪功率控制策略控制相对简单,功率输出平稳,更适用于该新型双功率流风力发电系统。

关键词：双功率流风力发电系统风电桨距控制最大风能跟踪功率控制

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风电系统中变速变桨距智能控制器研究

风电系统中变速变桨距智能控制器研究

作者：王贤立东北农业大学

学位级别：硕士

随着社会的快速发展，社会对能源需求持续增长，环境污染、能源短缺等问题日益严重，发展太阳能、风能等绿色可再生能源迫在眉睫。我国风力资源丰富，发展风力发电技术对于解决我国的环境问题和能源问题有非常重要的意义。风电技术发展... 详细信息

随着社会的快速发展，社会对能源需求持续增长，环境污染、能源短缺等问题日益严重，发展太阳能、风能等绿色可再生能源迫在眉睫。我国风力资源丰富，发展风力发电技术对于解决我国的环境问题和能源问题有非常重要的意义。风电技术发展至今，风力机组单机容量不断增大，新的控制理论和控制方式不断应用于风电机组的控制系统之中，风电技术的稳定性逐步提高。但是与欧美国家相比，我国在变桨距控制、低电压穿越等的控制技术上还有一些距离，目前在这些技术方面仍是以引进学习为主，尤其是对于新兴的直驱永磁同步风力发电机组的变桨距控制、低电压穿越技术研究较少。因此，本文基于黑龙江省教育厅2012年度科学技术研究项目（项目编号：12521039，项目名称：风电系统中变速变桨距智能优化控制研究），主要研究了直驱永磁同步风力发电机组中的变桨距控制技术，设计了将BP神经网络和模糊控制相结合的智能变桨距控制器模型并进行了仿真，具有一定的理论和实际意义。本文首先介绍了国内外风力发电的概况，分析比较了目前最常用的双馈异步风力发电机组和直驱永磁风力发电机组的优缺点。以采用永磁同步风力发电机的直驱式风力发电机组为研究对象，分析了风力机的气动特性和变桨距控制理论，研究得出了永磁同步风力发电机组的风力机系统、传动系统、变桨距控制器模型以及永磁同步电机的数学模型，并在matlab/simulink中仿真了一台7.5kW的直驱永磁同步风电机组，以直观的得出机组工作过程中的动态特性，为进一步研究永磁同步风电机组的智能变桨控制器打下了理论基础。接下来分析介绍了BP神经网络以及模糊控制理论，针对永磁同步风电机组在额定风速以下（小风速）以及额定风速以上（大风速）控制目标的不同，分别设计了BP神经网络控制器模型和模糊控制器模型。BP神经网络控制器采用LM快速算法对附录中的数据进行学习训练，得出不同桨距角、叶尖速比下的最大风能利用系数，建立查询表，用以控制小风速下(此时桨距角将保持0°角不变)的转速控制，达到捕捉最大风能的目的;模糊控制器以功率误差和功率误差变化率为输入量，以桨距角为输出量，将允许的功率误差及其变化率范围模糊化，得出对应的论域，推导出模糊控制规则，计算出模糊控制查询表，采用速度型的二维控制器，构建大风速下的变桨距控制器，得到在额定功率±10%范围内波动的输出功率。最后，基于matlab/simulink环境下建立了一个2MW的直驱永磁风力发电机组，分别在小风速和大风速下进行了仿真，仿真结果证明两种控制器是切实可行的，较好的反映了风力机组在两种风速下的动态特性，具有一定的抗干扰性和控制精度，验证了两种控制器的可靠性。

关键词：桨距控制 BP神经网络模糊控制永磁同步风力发电机 matlab/simulink

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电控旋翼桨距自适应控制方法研究

电控旋翼桨距自适应控制方法研究

作者：马旭东南京航空航天大学

学位级别：硕士

电控旋翼是21纪初提出的一种新概念旋翼系统,它相对于传统旋翼操纵系统有着巨大的优势和广阔的应用前景,对于电控旋翼的研究已成为目前直升机界的研究热点之一。而桨距控制又是电控旋翼的核心所在。因此,本文围绕电控旋翼系统的桨距控... 详细信息

电控旋翼是21纪初提出的一种新概念旋翼系统,它相对于传统旋翼操纵系统有着巨大的优势和广阔的应用前景,对于电控旋翼的研究已成为目前直升机界的研究热点之一。而桨距控制又是电控旋翼的核心所在。因此,本文围绕电控旋翼系统的桨距控制问题展开了以下几方面的研究工作:1、电控旋翼桨距频域自适应控制律研究。电控旋翼桨距控制与智能旋翼振动主动控制有一定的相通性,类比于振动主动控制算法,对电控旋翼桨距开展频域自适应控制律及仿真验证。2、基于时域自校正控制的电控旋翼桨距控制方法研究。以改进型电控旋翼数学模型为基础,采用基于极点配置的自校正控制算法设计电控旋翼桨距控制律,利用Simulink对电控旋翼桨距控制进行仿真。结果表明该控制算法对电控旋翼的总距和周期变距操纵均可取得较好的控制效果,验证了所提出的控制方法的正确性和有效性。3、根据所提出的改进型电控旋翼桨距自校正控制算法,进行了电控旋翼桨距控制试验设计,为后续电控旋翼桨距控制试验奠定基础。

关键词：电控旋翼桨距控制自适应频域自校正控制 simulink

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变桨距风力机分段控制策略

南京工业大学学报（自然科学版） 2011年第2期33卷 80-84页

作者：傅洁张慧玲何斌范钦珊南京工业大学力学部江苏南京210009

大型风力机在实际运行中受风速、风向的变化影响很大。针对定速变桨型风力机分析其偏航与桨距调节控制策略,提出"桨距分段控制"新的控制策略,即根据不同的来流风速设计执行相对应的桨距控制策略。并通过LabVIEW软件设计1.5 MW的风力发... 详细信息

大型风力机在实际运行中受风速、风向的变化影响很大。针对定速变桨型风力机分析其偏航与桨距调节控制策略,提出"桨距分段控制"新的控制策略,即根据不同的来流风速设计执行相对应的桨距控制策略。并通过LabVIEW软件设计1.5 MW的风力发电机测试与控制系统,实现提出的新控制策略。结果表明:分段控制策略能够快速地对来流风速的变化作出反应,提高了控制精度和系统的稳定性。

关键词：风力发电偏航控制桨距控制 LabVIEW 分段控制

Spar型漂浮式海上风力机的载荷抑制与故障诊断研究

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Spar型漂浮式海上风力机的载荷抑制与故障诊断研究

作者：刘爽山东交通学院

学位级别：硕士

风能作为绿色环保的能量来源,在减少全球发电系统的碳排放方面发挥着重要作用。相比于陆上风电,海上风电有着风资源稳定和受地域限制小等优势,成为全球新兴发展的新能源产业。海上风电基础类型有固定式和漂浮式两种形式,近海多为固定式... 详细信息

风能作为绿色环保的能量来源,在减少全球发电系统的碳排放方面发挥着重要作用。相比于陆上风电,海上风电有着风资源稳定和受地域限制小等优势,成为全球新兴发展的新能源产业。海上风电基础类型有固定式和漂浮式两种形式,近海多为固定式基础,在安装时易受环境和海底地质条件影响,而漂浮式基础相比于固定式基础,受水深和环境影响小,且能够建设大规模风场,可以提高建造效率、降低风能利用成本,因此海上风电向深海发展成为未来的主流趋势。然而,随着风力机物理尺寸不断增加,这给风力机操作和维护带来了挑战,更大更灵活的风力机会使风力机结构部件承受更高的机械应力,这些力可能会导致风力机早期故障,从而限制风力机的尺寸和性能。因此为了进一步降低成本、提高风力机可靠性和延长其服役寿命,亟需先进的控制方案来维持风力机输出功率稳定和抑制平台运动,并能同时减少机组疲劳载荷。本文以5MW Spar型漂浮式风力机为研究对象,基于NREL开发的气动-水动-伺服-弹性开源软件FAST与MATLAB/Simulink进行联合仿真,研究内容主要从以下三个方面展开:(1)针对复杂环境变化易于引起海上漂浮式风力机不稳定问题,提出一种新的基于模糊LQR、模糊PI相结合且易于工程应用的桨距控制方案,实现维持漂浮式风力机输出功率稳定、抑制浮台运动、减少叶根及塔基疲劳载荷的目的。模糊PI控制器根据发电机转子转速误差变化动态选择期望的PI增益;模糊LQR控制器基于模糊规则自适应调整闭环反馈增益,在保证风力机输出功率和浮台稳定的基础上,减小叶根和塔基疲劳载荷。(2)为了进一步减少漂浮式风力机结构的疲劳载荷,延长风力机服役寿命,构建漂浮式风力机结构的实时疲劳损伤估计器,用于减缓转子叶片和塔架的老化问题,以保证风力机的期望寿命。将疲劳损伤估计器估计的风力机叶片损伤累积作为模糊控制器的输入,通过设计模糊规则,实现在不牺牲风力机输出功率稳定的情况下,进一步减少漂浮式风力机的结构疲劳损伤,从而延长风力机服役时间。(3)针对考虑执行器故障的漂浮式风力机桨距控制问题,提出一种基于自适应二阶滑模观测器的故障诊断方案,实现在风力机变桨系统出现不可逆故障时,所提方案能够使风力机系统正常运行,不影响发电效率。自适应二阶滑模观测器通过对变桨系统故障及其状态进行观测,并将观测结果反馈给故障补偿器,进而减少故障对风力机系统的影响。相比于传统滑模观测器,自适应二阶滑模观测器消除了对未知故障导数上限的需要,并能有效抑制抖振效应。

关键词： Spar型漂浮式风力机桨距控制模糊LQR 疲劳损伤估计器自适应二阶滑模观测器