摘要
在各种可再生能源利用技术中，风力发电凭借其成本低、无污染、装机灵活等优点得到广泛应用。然而，风电设备长期工作在风力资源丰富的高原或海岛上，这虽然能够为风能捕获提供便利，但恶劣的工作环境会导致其故障频发。如果无法及时处理这些未知性故障，会降低其风能捕获率，甚至造成设备损坏或停机。针对以上问题，本文以风能转换系统的奇异摄动模型为对象，设计出 PI 观测器和容错控制器，从而实现故障诊断和最优风轮转速跟踪。 本文的主要研究内容分为以下三部分： (1) 针对风能转换非线性系统复杂度较高、不易分析与设计等问题，建立奇异摄动模型。首先，对非线性模型进行小偏差线性化处理，并根据风能转换系统明显的双时间尺度特征，提取奇异摄动参数。然后，将风能转换过程中可能存在的不确定、时滞以及故障等因素考虑在内，建立起更加贴合实际运行情况的风能转换系统奇异摄动模型，为后文控制器的设计奠定基础。 (2) 针对风能转换系统故障的获取及噪声干扰问题，设计PI观测器实现故障诊断与重构。首先，对故障模型与系统模型进行联立构成增广模型，将故障变量转换为状态变量进行观测。然后，依照奇异系统PI观测器的设计方法，总结出奇异摄动模型PI观测器的设计步骤，并应用到增广模型中。最后，模拟风能转换系统运行过程中常见的传动轴与传感器故障，分别实现故障状态重构与诊断，并针对风电机组运行过程中的气动、机械、电磁噪声等问题，验证PI观测器在风能转换系统奇异摄动模型中的可行性。 (3) 针对风能转换系统中存在的时滞、故障及各种不确定因素，设计H∞最优保性能容错控制器。首先，将H∞性能指标和成本性能指标作为双重约束，进行线性矩阵不等式求解，得到H∞保性能容错控制律。然后，通过凸优化函数获到H∞最优保性能容错控制律，实现最优风轮转速跟踪，在降低故障敏感度的同时，节约容错控制成本，提升系统的风能捕获率。从仿真结果可以看出，本文所设计控制器具有一定有效性和实用性。
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