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随机模型预测控制在风力发电系统的应用

汇报人：

2024-01-14

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目录

引言

风力发电系统概述

随机模型预测控制理论

随机模型预测控制在风力发电系统中的应用

实验结果与分析

结论与展望

01

引言

能源危机与环境问题

随着全球能源危机和环境问题的日益严重，可再生能源的开发和利用已成为当今世界关注的焦点。风力发电作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的发展潜力和市场前景。

风力发电系统控制问题

风力发电系统的输出功率受到风速、风向等多种因素的影响，具有随机性和不确定性。传统的控制方法往往难以应对这种复杂性和不确定性，导致风力发电系统的稳定性和经济性受到影响。

随机模型预测控制的优势

随机模型预测控制（StochasticModelPredictiveControl，SMPC）是一种基于随机模型的优化控制方法，能够充分考虑系统的不确定性和随机性，实现更加精确和有效的控制。在风力发电系统中应用SMPC，有望提高系统的稳定性和经济性。

目前，国内外学者在风力发电系统控制方面已经开展了大量研究，包括传统控制方法、智能控制方法等。然而，这些方法在处理系统不确定性和随机性方面仍存在一定局限性。近年来，SMPC在风力发电系统中的应用逐渐受到关注，取得了一些初步的研究成果。

国内外研究现状

随着风力发电技术的不断发展和SMPC理论的不断完善，未来风力发电系统控制将更加注重对不确定性和随机性的处理。同时，随着人工智能、大数据等技术的不断发展，SMPC有望与这些先进技术相结合，实现更加智能化和高效化的风力发电系统控制。

发展趋势

研究目的

本文旨在探讨SMPC在风力发电系统中的应用，通过理论分析和实验研究，验证SMPC在提高风力发电系统稳定性和经济性方面的有效性。

主要内容

首先，介绍风力发电系统的基本原理和数学模型；其次，阐述SMPC的基本原理和算法流程；接着，将SMPC应用于风力发电系统的控制中，建立相应的控制模型和算法；最后，通过仿真实验和实际应用验证所提方法的有效性和优越性。

02

风力发电系统概述

风力发电利用风能驱动风轮机旋转，通过传动系统将旋转动能传递给发电机，进而转换为电能。

风能转换原理

风力发电系统主要由风轮机、传动系统、发电机、控制系统和辅助设备等组成。

系统组成

03

故障诊断与容错控制

实时监测风力发电系统的运行状态，对故障进行诊断和处理，确保系统安全、可靠运行。

01

最大功率点跟踪（MPPT）

通过调整风轮机的转速或桨距角，使风轮机捕获最大风能，提高发电效率。

02

电网同步与并网控制

确保风力发电机输出的电能与电网同步，实现安全、稳定的并网运行。

03

随机模型预测控制理论

基于随机模型的预测

利用随机模型对系统未来状态进行预测，充分考虑系统中的不确定性和随机性。

分析随机模型预测控制系统的稳定性，包括均方稳定、几乎必然稳定等。

稳定性分析

研究随机模型预测控制算法的收敛性，探讨算法在迭代过程中的收敛速度和收敛性质。

收敛性分析

考察随机模型预测控制系统在不确定性和干扰下的鲁棒性，分析系统对参数摄动和外界扰动的敏感程度。

鲁棒性分析

04

随机模型预测控制在风力发电系统中的应用

风力机模型

传动系统模型

发电机模型

控制系统模型

建立风力机的空气动力学模型，描述风能转换为机械能的过程，包括风速、风向、风轮转速等参数。

建立发电机的电气模型，描述机械能转换为电能的过程，包括电压、电流、功率等参数。

建立传动系统的动力学模型，包括齿轮箱、轴承、联轴器等部件的传动效率和动态特性。

建立控制系统的数学模型，包括控制器、传感器、执行器等部件的控制逻辑和动态特性。

基于历史数据和实时数据，建立风力发电系统的随机预测模型，描述系统未来时刻的状态和输出。

预测模型建立

控制目标设定

控制算法设计

控制器实现

根据风力发电系统的运行要求和性能指标，设定控制目标，如最大功率追踪、稳定电压输出等。

基于预测模型和控制目标，设计随机模型预测控制算法，包括滚动优化、反馈校正等步骤。

将控制算法编写成计算机程序，实现实时在线控制，满足风力发电系统的实时性和稳定性要求。

仿真实验验证

通过仿真实验验证随机模型预测控制器的有效性，包括在不同风速、风向和负载条件下的性能表现。

对比分析

将随机模型预测控制与其他控制方法（如PID控制、模糊控制等）进行对比分析，评估其在风力发电系统中的优劣。

实际应用效果评估

在实际风力发电系统中应用随机模型预测控制器，收集运行数据并进行分析，评估其在实际应用中的效果。

05

实验结果与分析

基于MATLAB/Simulink搭建风力发电系统模型，包括风力机、发电机、变流器等关键部件。

实验平台

通过传感器实时监测风速、风向、发电机转速、功率等关键参数，并将数据传输至控制系统。

数据采集

采