柔性风力机的H∞鲁棒控制律设计及仿真.pdf

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1、第35卷第1期太阳能学报Vo1．35．No．12014年1月ACTAENERGIAES0LARISSINICAJan．，2014文章编号：0254-0096(2014)01-0094-07柔性风力机的H∞鲁棒控制律设计及仿真曹九发，王同光，王珑(南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，南京210016)摘要：针对柔性风力机在实际运行过程中存在的叶片俯仰阻尼小、工作稳定性差和疲劳载荷严重等特点。将H鲁棒控制理论引入到具有柔性的风力机控制律设计中，再结合柔性风力机动力学模型，给出选择合适加权

2、函数的方法。基于这种控制律设计方法，设计出3个不同H鲁棒控制器，并对其进行抗干扰和鲁棒性分析。通过仿真结果分析，得到综合考虑发电机工作稳定性、变桨结构性能及叶片广义位移、速度都较佳的H鲁棒控制器。关键词：柔性风力机；H鲁棒控制；灵敏度；权函数中图分类号：TM614；TK89文献标识码：A的疲劳载荷减缓效果更佳。然而，一般的极点配置0引言和LQR方法并不能保证闭环系统的鲁棒性。近几风能作为清洁能源的代表，因其技术相对成熟、十年发展起来的H控制理论在设计过程中可同时成本低，在全球得到迅猛发展。伴随着全球风

3、电装考虑被控系统工作状况变动、外部干扰以及系统故机量的迅速增长，兆瓦级风力机所占比例也不断扩障导致的模型不确定性。因此，本文在基于H鲁大。为了捕获更多风能和减少成本，风力机设计转棒控制理论上，进行对柔性风力机控制律设计。向大型风力机、柔性叶轮和高塔架方向发展。大型首先，本文对柔性风力机机械系统进行简化，考风力机的机械部件柔性突出，尤其叶片长时间处于虑叶片柔性模态及叶轮扭转和发电机模态，在某工左右摆振和前后挥舞中，增加风力机的疲劳载荷。作平衡点建立线化的柔性风力机模型，分析柔性和因此必须增加风力机柔性结

4、构的模态阻尼、稳定机刚体风力机模型的响应差异。其后，根据风力机实械结构运行和减少风力机有害载荷⋯。际情况，进行适当的加权函数选择，从而设计出3个主动控制技术可在更好利用风力机容量的同时不同加权函数的控制器，进行灵敏度和补灵敏度分减轻并降低整机的气动载荷和机械载荷j，在风力析。最后，通过对3个不同H鲁棒控制器仿真，得机系统中起着重要作用。在风力机控制系统中，到更满足柔性风力机系统鲁棒性的控制器。SISO(单输入单输出系统)控制方式被广泛应用，如1柔性风力机动力学模型的建立为了减少塔架载荷，文献[3]采用

5、PI控制器设计并得到一定效果。然而，系统存在多个回路，且控制回风力机是一个复杂的机械系统，由多自由度的路之间存在较强的相互耦合，则SISO控制方式难以互联装置组成，如图1所示，可用运动方程式(1)实现。随着风力机的大型化、复杂化和柔性化发展，表示。风力机系统多回路耦合现象愈加显著，MIMO(多输M+C亩+蠡=Q(空，q，t，u)(1)入多输出)控制方式已经开始应用于风力机控制系式中，M、C、卜质量、阻尼和刚度矩阵；Q——作用统_4。J。文献[8]基于LQG控制方法，设计了风力于系统上的力；——系统响应

6、时间；——系统输人机的独立变桨MIMO控制器，与同步变桨控制效果量；g——广义坐标，可描述成如式(2)的矢量形式。对比，结果表明独立变桨的风力机叶片、塔架和转轴q=[00](2)收稿日期：2011—11—15基金项目：国家重点基础研究发展(973)计~(2014CB046200)；EU7FrameworkProgram(FP7一PEOPLE-2010一IRSES-269202)；江苏省高校优势学科建设工程；中央高校基本科研业务费专项资金(NP2012102；NJ20130007；NJ2013008；N

7、J2013009)通信作者：曹九发(1986一)，男，博士研究生，主要从事风力机空气动力学和控制方面的研究。eaojiufa98@163．com1期曹九发等：柔性风力机的H鲁棒控制律设计及仿真95式中，0、0s——分别为叶轮、发电机角位移；——转动惯重。两个叶片平面俯仰旋转的角位移平均值，本文参考文献[1]对叶片柔性自由度进行简化，本文的刚性风力机未考虑自由度，即无需考虑叶片的俯仰模态。因此式(1)可描述为：△+14△+C11△+Cl4△+K11=△Fr1l《1．一．Jr△Dr+2M14△+2cl4△

8、=△一△IL．．，△=△一△(3)式中，——叶片俯仰模态的质量系数；M、图1风力机扭转和叶片俯仰C——叶片俯仰模态耦合叶轮转速的质量系数和Fig．1Thetorsionandbladeflapwindturbine阻尼系数，均为刚柔耦合项，体现了柔性风力机不同刚性风力机特点之一；KC——叶片俯仰模态的风力机受到的转矩和气动弹性力随转速、风速刚度系数和阻尼系数；△、Aa——叶轮转速和发及桨距角呈现出复杂的非线性关系，在控制律设计电机转速增量；△F——叶片受