在双碳目标愿景下,风能作为清洁可再生能源得到了广泛的发展与应用,风力发电作为风能主要利用形式得到了较快发展。在风力发电过程中,风速的随机性与波动性会扰动风电机组的稳定运行,影响风电机组输出功率的平稳性。由于风力发电系统是一个具有强非线性的和不确定性的多变量耦合系统,要减少风速波动性对风电机组稳定运行的影响,将对风电机组的控制策略提出较高要求。随着预测控制理论发展,鲁棒模型预测控制（Robust Model Predictive Control,RMPC）方法可以有效减少不确定性干扰对系统稳定运行的影响,这为风电机组的控制策略提供了新的思路。为减少风速不确定性对风电机组稳定运行的影响,提高发电质量,本文主要研究工作如下:（1）以变速变桨距双馈风电机组为研究对象,建立了风电机组非线性数学模型。研究了风力发电特性,分析了风能利用系数对风电机组捕获风能的影响。采用双参数威布尔分布风速模型来模拟自然风速的随机性与波动性。详细分析了风电机组在每个风速区间的运行状态以及风电机组的控制原理以及控制方法。（2）针对风速不确定性建立风电机组的鲁棒模型预测控制策略。将风力发电机组在某一稳定工作点进行线性化,得到基于状态空间方程的线性化模型。忽略风速扰动部分得到风电机组的标称系统模型,基于标称模型构建预测方程并结合风电机组的控制任务构造优化目标函数。针对风速扰动,引入扰动不变集合的概念。在某种反馈控制律的作用下,将风力发电系统的状态限制在不变集合里。构造误差模型并用Lyapunov稳定性定理证明误差系统趋于稳定。通过线性矩阵不等式求解反馈控制律和扰动不变集合。在满足各种变量约束的条件下通过二次规划方法求解最优控制序列。（3）以Nrel研发的经典5MW风电机组模型,采用MATLAB仿真软件进行算例仿真分析。分别在低风速、高风速选取不同的稳定工作点以及在额定风速处考虑风速剧烈变化对风电机组运行的影响。将RMPC与模型预测控制算法进行对比分析,RMPC控制策略可以实现风电机组低风速最大风能捕获,高风速恒定功率运行的控制目标并且RMPC能够有效降低风速不确定性对风电机组稳定运行的影响,减小输出功率波动,提高发电质量。
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