随着现代风力发电机组大型化发展,叶片长度的增加导致风轮半径增加,增加了叶片的柔性。在风的作用下会产生振动,不仅影响风力机的安全运行和使用寿命;还能引起发电机转矩变化,影响电网的安全稳定。在此背景下,建立风力发电机组整体动力学模型,分析其动力学特性。选择合适阻尼装置并设计控制器控制风力机的振动,具有重要的理论和实际意义。风力机是一个刚柔结合的复杂多体系统,叶片和塔架是柔性振动体,而机舱是以质量惯性参与振动的刚体。风力机受气动载荷影响,旋转的叶片产生挥舞(flapwise)、摆振(edgewise)、扭转振动(torsion);塔架产生前后(for-aft)、侧向(side-to-side)、扭转振动。各子系统的振动存在着耦合,如:叶片挥舞振动与塔架前后振动的耦合,叶片摆振与塔架侧向振动的耦合。由于传动系机械转矩与发电机的电气转矩的耦合,发电机动态对风力机叶片振动产生影响。由于系统存在未建模动态、参数不确定和结构不确定,实际运行的工程系统都会受到不确定性的影响。模型误差可能会导致系统性能下降,在系统建模和控制器设计过程中考虑不确定性对系统的影响,设计鲁棒控制器具有重要的意义。因此需要考虑多种系统不确定性,包括参数不确定和动态不确定,设计鲁棒控制。本文重点对风力机叶片振动结构控制的关键技术问题开展研究,包括叶片振动动力学建模、鲁棒控制问题等,主要研究内容如下:(1)建立面向结构控制的风力机耦合多体动力学模型,包括完整的机械和电气耦合模型。建模叶片—塔架—传动轴—电网的完整耦合模型,在此基础上分析电网动态对机械振动对影响。通过建模及仿真分析,得出发电机转矩的变化会加剧叶片的面内摆振。(2)研究基于鲁棒控制的风力机结构控制。由于风载荷具有随机性,考虑随机系统鲁棒控制问题。针对随机不确定性系统,根据随机积分二次型约束(IQC)与相对熵约束的等价,设计最小最大鲁棒线性二次型高斯(LQG)控制。考虑多种系统不确定性,包括参数不确定、动态不确定,使得闭环系统绝对稳定。应用在叶片振动控制问题中,仿真结果表明能有效抑制叶片振动。(3)研究随机系统分散控制。由于叶片与塔架的动态耦合,振动控制设计时要考虑耦合模型。现代风力机大型化发展趋势,控制策略需要大量的传感器和通讯网络。对于这种大型的结构,分散控制是一个更实用的方法。在最小最大LQG控制的基础上提出鲁棒分散最小最大LQG控制。仿真结果表明分散控制能取得与集中控制相似的控制效果。(4)针对确定性系统,研究满足积分二次型约束的不确定性系统的鲁棒控制,考虑结构信息约束,设计采用静态输出反馈方式,使得闭环系统满足H∞性能。(5)针对基于TMD的风力机叶片振动结构控制,建立风力机风轮变速旋转下系统动态模型。本文建立包含阻尼装置的结构模型,设计满足积分二次型约束系统的鲁棒分散H∞控制。仿真结果表明在基于叶片内分散布置多个TMD的分散控制能有效抑制叶片振动。