具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0199

北京航空航天大学学报 ›› 2017, Vol. 43 ›› Issue (3): 464-471.doi: 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

收稿日期:2016-03-14 出版日期:2017-03-20 发布日期:2016-08-01
通讯作者: 张臻,E-mail:zhangzhen@buaa.edu.cn E-mail:zhangzhen@buaa.edu.cn
作者简介:张臻,男,博士,讲师。主要研究方向:智能结构控制与应用、风力机气动建模与控制。;卢经纬,男,硕士研究生。主要研究方向:风力机气动建模与控制。;梁宇坤,男,硕士。主要研究方向:风力机降载控制。
基金资助:
国家自然科学基金（61433011,51575544）

Dynamic modeling and constant power control of wind turbines with trailing-edge flaps

ZHANG Zhen¹, LU Jingwei¹, LIANG Yukun²

1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China

Received:2016-03-14 Online:2017-03-20 Published:2016-08-01

摘要/Abstract

摘要： 具有尾缘襟翼的风力机在大型风力机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H_∞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

Abstract: The wind turbine systems with trailing-edge flaps have broad prospects in application of large-scale wind turbine system. In the smart wind turbines with variable trailing-edge flaps, the aerodynamic characteristics of the blades can be regulated by using the trailing-edge flaps, and then the purpose of the constant power output of the wind turbines can be achieved. In this paper, the aerodynamic model of wind turbine blades with variable trailing-edge flaps is presented firstly by blade element moment method. Then a nonlinear dynamic model of smart wind power system is established. The nonlinear model is linearized by dynamic inversion method. Based on the linearized model, the feedback controller is designed through H_∞control. Finally, simulations are carried out for cases with 12-16 m/s step wind and actual wind based on four component model. Simulation results show that the control strategies are capable of controlling output power of wind power system effectively.

Key words: wind turbine, trailing-edge flaps, modeling, constant power control, dynamic inversion, robust control

中图分类号:

TM315
TP273

张臻, 卢经纬, 梁宇坤. 具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(3): 464-471.

ZHANG Zhen, LU Jingwei, LIANG Yukun. Dynamic modeling and constant power control of wind turbines with trailing-edge flaps[J]. JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND A, 2017, 43(3): 464-471.

参考文献

[1] 贺德馨.中国风能发展战略研究[J].中国工程科学,2011,13(6):95-100.HE D X.Research on China's wind energy development strategy[J].Engineering Sciences,2011,13(6):95-100(in Chinese).
[2] 高峰,徐大平,吕跃刚.大型风力机组的前馈模糊-PI变桨距控制[J].动力工程,2008,28(4):537-542.GAO F,XU D P,LU Y G.Feed forward fuzzy-PI pitch-control for large-scale wind turbines[J].Journal of Power Engineering,2008,28(4):537-542(in Chinese).
[3] MALCOLM D J,HANSEN A C.WindPACT turbine rotor design study[R].Golden:National Renewable Energy Laboratory,2002.
[4] VAN WINGERDEN J,HULSKAMP A,BARLAS T,et al.Two-degree-freedom active vibration control of a propotyped "smart" rotor[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2011,19(2):284-296.
[5] 余畏.基于柔性尾缘襟翼的大型风力机叶片载荷智能控制研究[D].北京:中国科学院大学,2013.YU W.Investigation on smart load control for a large-scale wind turbines using deformable trailing edge flap[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2013(in Chinese).
[6] BARLAS T K,VAN KUIK G A M. Review of state of the art in smart rotor control research for wind turbines[J].Progress in Aerospace Sciences,2010,46(1):1-27.
[7] 邱静,王国志,刘恒龙,等.基于BEM理论的小型风机叶片设计与分析[J].液压气动与密封,2011,31(6):71-74.QIU J,WANG G Z,LIU H L,et al.The research on small scale wind turbine blade based on BEM theory[J].Hydraulics Pneumatics & Seals,2011,31(6):71-74(in Chinese).
[8] 刘雄,张宪民,陈严,等.基于动态入流理论的水平轴风力机动态气动载荷计算模型[J].太阳能学报,2009,30(4):412-419.LIU X,ZHANG X M,CHEN Y,et al.Trasient aerodynamic load prediction model for horizontal axis wind turbines based on dynamic inflow theory[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2009,30(4):412-419(in Chinese).
[9] 张师帅,罗亮,李伟华.基于CFD分析的空调用贯流风机的性能预测[J].流体机械,2008,36(5):18-20.ZHANG S S,LUO L,LI W H.Research on perform ance prediction of the cross-flow fans for air conditioning[J].Fluid Machinery,2008,36(5):18-20(in Chinese).
[10] 郭鹏. 模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制[J].中国电机工程学报,2010,30(8):123-128.GUO P.Variable pitch control of wind turbine generator combined with fuzzy feed forward and fuzzy PID controller[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(8):123-128(in Chinese).
[11] 郑黎明,林宇,陈严,等.大型风力机恒功率桨距非线性PID控制方法研究[J].太阳能学报,2012,33(5):727-731.ZHENG L M,LIN Y,CHEN Y,et al.Research on blade pitch nonlinear PID control for a large-scale wind turbine under constant power[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2012,33(5):727-731(in Chinese).
[12] 张先勇,吴捷,杨金明,等.额定风速以上风力发电机组的恒功率H_∞鲁棒控制[J]. 控制理论与应用,2008,25(2):321-324.ZHANG X Y,WU J,YANG J M,et al.H-infinity robust control of constant power output for the wind energy conversion system above rated wind[J]. Control Theory & Applications,2008,25(2):321-324(in Chinese).
[13] 秦生升,胡国文,顾春雷,等.风力发电系统的恒功率非线性H_∞鲁棒控制[J].控制理论与应用,2012,29(5):617-622.QIN S S,HU G W,GU C L,et al.Nonlinear H-infinity robust control of constant power for wind power system[J].Control Theory & Applications,2012,29(5):617-622(in Chinese).
[14] HANSEN M O L.Aerodynamics of wind turbines[M].London:Earthscan,2008.
[15] TROLDBORG N.Computational study of the RisφB1-18 airfoil with a hinged flap providing variable trailing edge geometry[J].Wind Engineering,2005,29(2):89-113.
[16] TROLDBORG N.Computational study of the RisφB1-18 airfoil equipped with actively controlled trailing edge flaps[D].Copenhagen:Technical University of Denmark,2004.
[17] BAK C,GAUNAA M,ANDERSEN P B,et al. Wind tunnel test on wind turbine airfoil with adaptive trailing edge geometry:AIAA-2007-1016[R].Reston:AIAA,2007.
[18] 段富海,韩崇昭.动态逆方法和微分几何反馈线性化方法的对[J].自动化与仪器仪表,2002(3):4-5.DUAN F H,HAN C Z.Comparison between the dynamic inversion and the differential geometric feedback linearization[J].Automation and Instrumentation,2002(3):4-5(in Chinese).
[19] 俞立.线性矩阵不等式处理方法[M].北京:清华大学出版社,2002:41-67.YU L.Robust control based on linear matrix inequalities approach[M].Beijing:Tsinghua University Press,2002:41-67(in Chinese).

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Dynamic modeling and constant power control of wind turbines with trailing-edge flaps

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[1]	杨胜, 王鑫哲, 李蒙. 基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(9): 1741-1746.
[2]	丁涛, 闫光荣, 雷毅, 徐翔宇. 一种多层次制造服务建模和组合优选方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(7): 1398-1405.
[3]	吴翰, 王正平, 周洲, 王睿. 基于凯恩方程的无人机伞降回收动力学建模与仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(6): 1256-1265.
[4]	吴文海, 宋立廷, 张杨, 汪节, 高丽. 舰载机弹射起飞影响因素分析及侧向控制律设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(4): 662-671.
[5]	梁立孚, 郭庆勇. 航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 243-251.
[6]	刘丰睿, 骈瑢, 赵丽滨, 张建宇. 一种考虑过滤的短纤维增强复合材料RVE建模方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 277-282.
[7]	张亚博, 师鹏, 张皓, 赵育善. 电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 388-397.
[8]	张釜恺, 芮挺, 何雷, 杨成松. 一种低成本的机器人室内可通行区域建模方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(12): 2470-2478.
[9]	刘贤军, 孙远航, 王永松, 施英莹, 孙习武, 余建波. 基于多场耦合建模与Bootstrap方法的滑环可靠性评估[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2301-2311.
[10]	田永亮, 王永庆, 熊培森, 郭宇, 武哲. 面向战斗机云作战的构造型仿真平台架构[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(10): 1938-1945.
[11]	刘一博, 沈作军, 张向宇. 一种区域参考大气密度的建模与应用方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(10): 2079-2088.
[12]	王添, 席平, 胡毕富, 李吉星, 石晓飞. 面向气热耦合的涡轮叶片计算域模型建模方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(1): 74-82.
[13]	叶威, 马齐爽, 徐萍, 张珀铭. 开关磁阻电机矩角特性模型非线性拟合方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(1): 83-92.
[14]	潘慕绚, 曹良进, 黄金泉. 基于增益调度的航空发动机分散鲁棒控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(9): 1964-1973.
[15]	李魁, 邓小龙, 杨希祥, 侯中喜, 周新. 基于本征正交分解的平流层风场建模与预测[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(9): 2013-2020.