受控对象结构与控制器一体化设计：低风速风机气动参数与MPPT控制的关联协调优化方法

With the development of industrial automation in both scale and level, the controller design of many practical controlled plants is significantly challenged by their structural characteristics. Hence, it is necessary to develop the theory and methodology for the integrated design of structural parameters and controller parameters that satisfies the industrial constraints on structural parameter adjustment. Wind turbines for low wind speed regions belong to this category of controlled plants. With the depletion of areas with exceptional wind resources, the exploitation of wind energy in the future is bound to be converted to low wind speed regions for further development. However, the control for wind speed tracking is essentially challenged by the size enlargement of wind turbines due to lower amplitude of wind speed and the severer fluctuation of wind speed. It has been indicated by recent researches that aerodynamic parameters of low wind speed wind turbines (LWSWT) exert a significant influence upon the performance of tracking control, which provides an opportunity for the integrated design of aerodynamic parameters and controller parameters to improve wind energy extraction efficiency. Therefore, in this project, aiming at the maximum power point tracking (MPPT) control, the impact of aerodynamic parameters on tracking control performance and its mechanism will be investigated. And, the theory and method for the integrated design of blades’ aerodynamic parameters and MPPT control strategies based on adjustable parameters with high sensitivity to control performance will be studied for LWSWT to achieve higher efficiency of energy capture. Furthermore, the relevant coordinate optimization method suitable for the integrated design of structural parameters and controller parameters will be extracted.

随着工业自动化规模和水平的提高，许多实际受控对象的结构特性对控制器设计提出很高挑战，因此有必要研究在工业允许的可调范围内将对象结构参数与控制器参数进行一体化设计的理论和方法。低风速风电系统就是这样一类对象。蕴含优良风能的高风速风场业已开发殆尽，未来风电需转向低风速风场以寻求更大发展。但低风速造成的风机尺寸大幅增加，加之风速更为严重的随机波动，使得风速跟踪控制难度很大。研究表明：低风速风机气动参数会显著影响跟踪控制效果，这为运用气动参数-控制器参数一体化设计提升风机效率提供了较大优化空间。为此，本项目针对最大功率点跟踪（MPPT）控制，研究低风速风机气动参数对风速跟踪控制效果的影响机理，探索对控制效果敏感的叶片可调气动参数与MPPT控制策略的一体化设计理论和方法，为实现低风速风机高效率风能捕获提供一条可行途径。在此基础上萃取出一类适合于受控对象参数-控制器参数一体化设计的关联协调优化设计方法

高湍流的低风速环境和日益增大的机组尺寸严重制约了低风速风机的风能捕获与发电效率。而且由于风机载荷和执行机构饱和的限制，单纯最大功率点跟踪控制器的设计优化已很难发挥效果。基于风机气动参数显著影响跟踪控制效果的观察，控制效应敏感的气动参数与MPPT控制关联协调的一体化设计应是提升低风速风能捕获效益的可行途径。因此，本项目以低风速风机为平台，重点围绕跟踪控制性能敏感的叶片气动参数及其与MPPT控制关联协调的一体化设计展开研究，并尝试萃取出一类旨在提升受控对象闭环控制性能的结构参数-控制器一体化设计模型和方法。主要研究成果如下：1) 提出了来流风能分布的定义，建立了湍流风速下慢动态特性风机的风能捕获效率模型；2) 从风轮和叶素两个视角提出了面向风能捕获提升的气动参数调节机制，分别是重点提升重要运行叶尖速比处的风能利用系数和减小叶素设计攻角以补偿跟踪动态导致的运行攻角偏离最佳攻角；3) 探寻到最佳叶尖速比和设计攻角是两个控制效应敏感气动参数，提出了两种气动参数-MPPT控制一体化设计方法，分别是考虑风轮跟踪控制动态的叶片气动正设计方法和综合优化最佳叶尖速比、设计攻角的叶片气动逆设计方法；4) 利用构建的风机仿真平台和动模实验平台，验证了所提一体化设计方法能够将低风速风能捕获效率提升约2%；5) 借鉴风机的研究成果，探索出基于能控度指标的控制效应敏感结构参数的确定机制，提出了基于能控度的受控对象结构参数与控制器一体化设计方法，并以水平轴风机为例仿真验证了该方法的有效性。上述成果不仅为低风速风能高效率捕获提供了一条可行技术途径，而且将跟踪控制的内涵从传统的控制器设计扩展到受控对象的协调优化，促进了广义跟踪控制概念的形成，丰富了一类跟踪效益控制问题的解决途径。值得一提的是，原本为支撑本项目实验验证而开展的风机传动链动态模拟方向也展现出很大的研究价值和应用前景，亟待今后深入探索和应用。