永磁同步风能转换系统振动抑制及鲁棒控制研究
近年以来，风力发电技术取得了长足的发展与进步，但是仍存在许多问题有待进一步研究和探讨，比如：如何抑制机组的振动以及如何增强控制系统的鲁棒性等都是亟待解决的关键技术问题。由于风速的随机性与不确定性以及塔影效应和风切变等因素的影响，振动始终伴随着机组的运行，机组振动不仅会产生巨大的污染噪声，还会造成机组零部件的松动与各执行机构的损害，严重影响着机组的使用寿命。永磁同步风能转换系统(Permanent Magnet Synchronous Generator-based Wind Energy Conversion System,PMSG-based WECS)的振动主要涉及传动链扭振、塔筒振动、叶片颤振及它们之间可能存在的耦合振动。其中，传动链扭振除了会造成齿轮箱损坏、联轴器打滑等轴系损伤，还可能引起次同步振荡(Subsynchronous Oscillation，SSO)问题与次同步谐波(Subsynchronous Harmonics，SSH)问题，影响电网稳定运行。长时间的塔筒振动与叶片颤振则会引起塔筒及叶片的疲劳，甚至导致塔筒倒塌与叶片折断等事故的发生。此外，PMSG-based WECS在运行及控制过程中往往存在一些不确定性，如因机舱温度变化引起PMSG的参数摄动、未建模的功率变换器动态及风速的快速变化引起风力机转矩的波动等。这些不确定性都有可能对机组的高效、稳定运行造成影响。控制形成的闭环系统必须具备较强的鲁棒性，才能保证系统稳健运行。通常，常规控制器存在参数难整定以及鲁棒性不佳等问题，难以满足控制性能的要求。因此，本文主要围绕着PMSG-based WECS的振动抑制及鲁棒控制展开研究，主要研究内容有： (1)建立了PMSG-based WECS的数学模型，介绍了其基本结构、运行模式及基本控制策略，深入分析了机组振动的激励源与机组存在的不确定性。详细介绍了“湍流”、“塔影效应”、“风切变效应”及“气动失速”等基本概念，并仔细分析了它们对机组运行的影响。 (2)分析了PMSG-based WECS在最优叶尖速比(Optimal Tip Speed Ratio，OTSR)控制下的扭振机理，建立了直流母线电容储能的变化与机组传动链扭振的关系，基于此关系提出了一种在转矩环与转速环引入与电容储能相关的补偿转矩与补偿转速的扭振抑制方案，有效抑制了风电机组在OTSR控制下的扭振。 (3)基于中心流形定理分析了转速反馈变桨(Pitch Control Based on Speed Feedback，PCBSF)+直接功率控制(Direct Power Control，DPC)下风电机组的稳定性，并对系统模型进行了降阶。基于降阶后的系统模型，分析了风电机组在PCBSF+DPC下传动链的扭振机理，提出一种附加刚度与阻尼的扭振抑制方法，该方法不仅对传动链固有频率处的高频扭振具有极佳的抑制效果，还能有效抑制风速变化引起的低频强迫式扭振。 (4)对传动链扭振引起的SSO及SSH问题进行了深入分析。研究表明：功率反馈控制会削弱系统阻尼，当系统总的阻尼变负，则会因SSO的发生而导致机组扭振失稳。此外，当系统处于欠阻尼状态时，风电机组在受到扰动及控制器切换的影响时，会导致并网电流与电压产生大量的SSH，会对电网造成冲击，并可能影响整个电力系统的安全。 (5)建立了塔筒振动的模型，详细分析了塔筒振动的机理及塔影效应和风切变对塔筒振动的影响，分析得出塔影效应及风切变形成的3P分量是引起塔筒前后向振动与侧向振动的主要激励源，会在特定转速下引起塔筒共振，严重危害机组安全运行。同时，围绕塔筒共振区穿越法、塔筒前后向振动的阻尼控制法进行了深入研究，提出了一种抑制能力更强、性能更加优异的滑模变桨控制策略，实现了对塔筒振动的抑制。 (6)叶片颤振分为沿风轮法线方向的挥舞与切线方向的摆振。详细分析了叶片的挥舞与摆振机理，建立了叶片沿挥舞与摆振方向颤振的数学模型。深入分析了塔影效应及风切变对叶片颤振的影响，研究了包括阻尼控制、LQG控制、H∞控制及LQG/LTR控制在内的多种抑制叶片颤振的方案，并给出了控制器设计的具体过程。研究结果表明基于独立变桨的LQG/LTR控制对叶片颤振的抑制具有很好的效果。 (7)针对PMSG-based WECS存在的不确定性对系统运行的影响，提出了基于PI型滑模面的鲁棒控制方案与基于状态反馈的鲁棒滑模控制方案。与常规控制相比，所提出的鲁棒滑模控制方案具有良好的鲁棒性，能够降低电流谐波畸变率的同时，减小风电机组的转矩脉动。
永磁同步风能转换系统;传动链扭振;塔筒振动;叶片颤振;鲁棒滑模控制
西安理工大学
博士
控制科学与工程;控制理论与控制工程
刘军
2020
中文
TK83
2020-11-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）