刚性飞行器牵引的高空风电系统优化与控制

作     者：杨禹鹏 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞岩

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：高空风力发电系统 轨迹优化 轨迹跟踪 樽海鞘群算法 非线性模型预测控制 

摘      要：在当前科技快速发展的背景下,全球能源需求持续增长。经济和人口增加使得对有限化石燃料的依赖加剧,导致环境污染和气候变化问题恶化。因此,寻找可持续的能源替代方案至关重要。风能以其清洁、可再生和经济效益高的优势,成为首选,可以减少对化石燃料的依赖,降低碳排放,满足不断增长的能源需求。收集风能的方式除传统风力发电以外还有新兴的高空风力发电,高空风力发电克服了传统风力发电成本高、效率低的缺点,具有巨大的应用前景。由于高空风力发电系统在开环情况下不能连续稳定地工作,因此本文主要研究高空风力发电系统的控制问题,研究内容包括:以最大化发电功率为主要性能指标,对高空风力发电系统的飞行器飞行轨迹进行优化;设计合适的反馈控制器,使得飞行器在一定风况下可以成功跟踪已优化的参考飞行轨迹。具体研究内容如下: (1)以刚性飞行器为牵引装置,分析高空风力发电系统的每一个组成部分,建立高空风力发电系统的数学模型,为后续的轨迹优化和轨迹跟踪问题奠定基础。 (2)以发电功率为主要性能指标,并设置相关约束提出高空风力发电系统的轨迹优化问题。采取多重打靶法对问题进行离散化处理,而后分别采用序列二次规划(SQP)算法、樽海鞘群(SSA)算法和多策略改进樽海鞘群(MISSA)算法进行求解,得到完整闭合周期内的飞行器轨迹。经过仿真分析得出,MISSA算法在求解本文提出的高空风力发电系统的轨迹优化问题上更加适用。 (3)为实现系统连续稳定的运行,要求对高空风力发电系统施加控制来跟踪MISSA算法优化出来的闭合轨迹。首先采用非线性模型预测控制(NMPC),实现高空风力发电系统的飞行器轨迹跟踪控制。针对非线性模型预测控制未考虑不确定性的不足,提出了多级NMPC策略。多级NMPC策略扩大了NMPC中优化问题的规模,因此采取一种改进的实施迭代(AS-RTI)策略来加快计算时间。经仿真分析测试,AS-RTI能缩短每一次优化计算需要的时间,可以更加迅速地给出控制动作。将多级NMPC策略和ASRTI策略相结合,能够进一步增加高空风力发电系统对于风速扰动的鲁棒性。