具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制

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1、2017年3月北京航空航天大学学报March2017第43卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．43No．3http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．anDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0199具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制张臻1’+，卢经纬1，梁宇坤2(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083；2．北京宇航系统工程研究所，北京100076)摘要：具有尾缘襟翼的风力机在大型风力机

2、领域具有广阔的应用前景。在具有可变尾缘襟翼的智能风力机中，通过控制襟翼偏转角可以调节风力机叶片的气动特性，可达到控制风电系统输出的目的。采用叶素动量方法建立了具有尾缘襟翼的风力机气动模型，在此基础上建立了智能风电系统的非线性动力学模型。基于动态逆方法对非线性系统进行线性化，采用日。状态反馈方法设计了反馈控制器。针对12～16m／s的阶跃风况和基于四分量模型所建立的实际风况进行了仿真验证，仿真结果表明，所设计的控制系统能有效控制风电系统的输出功率。关键词：风力机；尾缘襟翼；建模；恒功率控制；动态逆；鲁棒控制中图分类号：TM315；TP273文献标识码：A文章编号：

3、1001-5965(2017)03—0464加8随着环境问题的日益严峻，各国大力发展可再生能源，以达到优化能源结构、实现可持续发展的目的。风能作为一种安全清洁的能源，在中国储量巨大，是新能源发展战略中的重要组成部分¨一。为了降低单位度电成本，风力机的大型化已成为发展趋势，这对风力发电技术提出了新的挑战。当风速高于额定风速时，为了保证风力机各部件的安全性和稳定性，应使风力机的输出功率稳定在额定值附近。目前，风力机控制风能吸收的方式主要有2种：①被动地利用桨叶失速性能来限制高风速下的风能吸收；②主动变桨距来控制风能的吸收口一。被动失速控制通过设计叶片的气动特性，使叶

4、片在大风速下被动失速。但是在风速较大时，叶片的载荷较大，因此在设计叶片时除了考虑叶片的气动特性还需充分考虑叶片的强度，因而会增加叶片的质量，导致成本升高。主动变桨控制需要叶片实现大幅而又快速的变桨操作，因而存在控制带宽小、滞后严重、附加质量大以及维护成本高等问题。近年来，具有可变尾缘襟翼的智能风力机成为大型风力机研究的热点"“。文献[4]在风洞中开展了具有襟翼的风力机系统的控制试验，基于辨识出来的系统设计了日。鲁棒控制器，风洞试验结果表明，变襟翼技术有效降低了风力机叶片受到的风载波动。文献[5]基于FAST／Aerodyn商用软件集成了尾缘襟翼的模拟仿真接口，设

5、计了基于Simulink的PID控制器，仿真结果显示，变襟翼技术可以有效改变风力机系统所受到的载荷。与变桨控制相比，襟翼控制具有响应快、质量轻、可靠性高等优点，不需要增大风力机及其附属设备的质量，克服了桨距控制磨损轴承和执行机构的缺点。通过控制襟翼、改变叶片的升力系数等气动参数，可达到控制风力机受到的气动载荷、稳定输出的目的∞1。目前，风力机气动力学分析、计算常用的方法有叶素动量方法(BladeElementMomentumMeth．收稿日期：2016-03—14；录用日期：2016-06-12；网络出版时间：2016-09-0616：10网络出版地址：WWW．

6、cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160906．1610．008．html基金项目：国家自然科学基金(61433011，51575544)$通讯作者：E-mail：zhangzhen@buaa．edu．an引甩格式：张臻，卢经纬，梁字坤．具有尾缘襟翼的风力机动力学建模5恒功率控截ej]．北京航空航天大学学报．2017．43(3)：464—471．ZHANGZ，LUJW，LIANGyK．Dynamicmodelingandconstantpowercontrolofwindturbineswithtrailing—edgeflaps

7、￡1]．JournalofBeqingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(3)：464-471(inChinese)．第3期张臻，等：具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制465od，BEM)¨。、广义动态尾流(GeneralizedDynamicWake，GDW)理论¨1、计算流体力学(Computa—tionalFluidDynamics，CFD)p。等。BEM是目前风力机设计和校核计算中应用最为广泛的方法，其计算方法较为简单，计算资源消耗较少，适合工程应用，对风力机气动计算模型进行了较大的简化，

8、无法对流场细节进行模拟和