【摘 要】
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风能作为主要的可再生能源之一,在过去数十年间获得了巨大发展。然而,由于风能受随机风速扰动的影响,加之存在风切变、塔影、尾迹及湍流等因素,使其成为电网中不稳定电源的同时,还面临着严重的非对称载荷。因此,变速变桨技术已成为调节风力发电机功率并缓解风机载荷的有效手段。传统变桨控制策略多依赖于被控系统的精确模型信息,这对具有随机扰动、强非线性和耦合等特性的风电机组来说,存在着建模困难以及未建模动态等难题;
【基金项目】
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国家自然基金面上项目“双馈式风电机组同轴度误差故障机理与诊断技术研究（51577008）”； 课题组正在进行的“综合数据时空特性的变工况风电机组故障诊断及无模型容错控制研究”；
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风能作为主要的可再生能源之一,在过去数十年间获得了巨大发展。然而,由于风能受随机风速扰动的影响,加之存在风切变、塔影、尾迹及湍流等因素,使其成为电网中不稳定电源的同时,还面临着严重的非对称载荷。因此,变速变桨技术已成为调节风力发电机功率并缓解风机载荷的有效手段。传统变桨控制策略多依赖于被控系统的精确模型信息,这对具有随机扰动、强非线性和耦合等特性的风电机组来说,存在着建模困难以及未建模动态等难题;且传统方法多基于变桨系统特定工作点的线性化模型进行设计,导致在随机风速大范围波动而偏离设计点时控制性能大幅衰退,影响风机的实际控制效果。此外,良好的变桨控制效果依赖于变桨执行器的频繁动作,极大地增加了执行器的故障或失效风险,故进一步探究变桨执行器的容错控制策略对于提升风机变桨系统的鲁棒性同样具有重要意义。鉴于上述问题,本文利用风机变桨系统的在线I/O数据,在不依赖于被控系统任何数学模型信息的条件下,开展变桨控制研究并设计执行器的容错控制策略,以保证风电机组在风速超过额定风速工况条件下的稳定和可靠运行。本文的主要研究工作如下:（1）基于广泛应用的统一变桨机制,设计了增益调度比例-积分（Gain-Scheduled Proportional Integral,GSPI）控制器。利用Simulink/FAST搭建了控制器与NREL5MW风机的仿真测试平台,对GSPI控制器进行了全面的变桨性能测试,其结果可作为后续研究的基准。（2）针对上述GSPI统一变桨控制器非线性响应能力不足,且现有的基于紧格式动态线性化（Compact Form Dynamic Linearization,CFDL）的无模型自适应控制（Model-Free Adaptive Control,MFAC）动态性能无法满足变桨系统控制要求等问题,通过在MFAC损失函数中考虑跟踪误差的变化率,提出了一种改进的无模型自适应（DE-MFAC）统一变桨控制策略,并利用压缩映射方法证明了其跟踪误差收敛性及输入输出有界性。仿真结果表明,相比于GSPI和CFDL-MFAC,DE-MFAC对随机风速下风力发电机功率和转速的平均波动幅度可分别控制在1%和2%以内,实现了更好的稳态和动态性能。（3）鉴于统一变桨无法减轻风机非对称负载,以及单变量独立变桨控制方法不能完全去除风机俯仰-偏航轴间的动态耦合等问题,本文进一步提出了一种基于多变量无模型自适应（MIMO-DE-MFAC）的独立变桨控制策略。不同工况下的仿真测试表明,相比于GSPI统一变桨,MIMO-DE-MFAC独立变桨控制下的平均短期损伤等效载荷可减轻17.55%,比DE-MFAC独立变桨多出5.02个百分点,并在所有验证的风速条件下均取得了最优控制效果。（4）上述变桨控制策略仅针对正常工况设计,对于随时发生的传感器/执行器故障缺乏对应的容错手段。为了有效降低执行器故障情况下控制器失稳风险,本研究深入分析变桨系统在执行器多种故障或失效条件下的运行特性,探究其规律,并利用故障发生后叶轮的不平衡性,首次提出了基于多叶片坐标变换的容错独立变桨控制框架。基于所提出的框架,在不依赖任何参数估计、故障检测及隔离过程的前提下,提出了双重多变量无模型自适应容错独立变桨控制策略（dual MIMO-DE-MFAC FTIPC）。仿真结果表明,所提方法在执行器加性故障、乘性故障以及混合故障条件下,塔基/顶主要测量点载荷控制性能下降不超过0.23%,可以实现与未发生故障条件下几乎一致的控制效果,有效提升了独立变桨控制的鲁棒性。（5）为了进一步验证所提方法的有效性,利用Simulink Desktop Real-Time/SIMATIC S7-1200 PLC搭建了5MW风电机组控制器硬件在环实验平台,并将上述GSPI统一变桨策略、DE-MFAC统一变桨策略、MIMO-DE-MFAC独立变桨策略和dual MIMO-DE-MFAC容错独立变桨策略分别移植入PLC控制器进行硬件在环实验。实验结果不仅验证了上述仿真结果的可靠性,还证明了所提方法在真实硬件条件下的实用性。
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