预答辩演讲稿

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1、1. 各位老师，上午好！2. 我的论文题目是，主要分以下几个方面介绍。3. 我国早期风电开发主要集中在东北、西北、华北等高风速风资源区，由于这些地区用电 负荷较小、远离负荷中心，导致严重的弃风限电现象。由于低风速区占地面积更广，且主要 分布在东部及南部等负荷中心区域，因而，发展低风速风电对解决风电消纳问题、实现风电 产业可持续发展具有重要意义。4. 对于一台给定的风力机，其风能捕获效率会随风速与风轮转速之间的比值、即叶尖速比 的变化而变化。只有当风力机运行在最优叶尖速比时，风力机才以最大风能利用系数捕获风 能。这是风力机最大功率点跟踪的基本原理。也是控制目标。5. 但是，由于风轮转动惯量的存在

2、，风轮转速难以实时跟踪风速的变换，导致风力机常运 行在跟踪最优叶尖速比的过程中、而非最优叶尖速比处。这意味着风力机常常以较低的风能 利用系数来捕获风能，导致跟踪损失。6. 而且，这一跟踪损失问题在低风速风力机上会更加严重。低风速区风速幅值小、湍流大、 波动快的特性以及由低风速导致的风力机尺寸大幅增加，进一步加剧了风速快波动性与风力 机慢动态特性之间的固有矛盾，从而给风力机的跟踪控制及风能捕获带来严峻的挑战。7. 传统的风力机设计大多遵循着本体（气动外形和支撑结构）设计在前、控制器设计在后的 分离、顺序设计流程。其中，气动设计重点关注风力机在入处的气动效率提升；结构设计 在保证风力机结构满足强度

3、、刚度和稳定性要求的前提下，降低制造成本；控制器设计则关 注最大功率点跟踪的实现，使风力机保持运行在入，。依照这样一种分离设计的思想，前面opt提到的低风速风力机因跟踪不上风速、无法保持运行在入加而导致的跟踪损失问题，应主要 由MPPT控制器的设计优化来解决。8. 但是，优化控制器以解决低风速风力机跟踪不上风速的潜力发掘基本饱和。这主要是因 为：（1）仅控制器改进这一单方面的努力，不能充分发掘缓解风速快速波动与风力机慢动态 特性固有矛盾的潜力，所能获得的闭环性能提升有限。仅控制改进所能获得的效率提升平均 在1%左右。（2）由于发电机这一风速跟踪控制的执行机构的额定功率、额定转矩和风力机 载荷的

4、共同约束，过于激进的风速跟踪控制会增大风力机的疲劳载荷、降低运行寿命。这也 限制了通过控制改进所能提升的效率的幅度。（3）正是意识到风力机慢动态特性与风速快速 波动之间的固有矛盾，部分文献采取牺牲局部效率换取整体性能的思路，而这也体现出仅控 制器优化已很难大幅提高MPPT性能。9. 依照气动与控制分离设计的思想，除了主要通过控制器的优化改进外，还可通过气动设计 优化来提升风能捕获效率。但是，沿用传统气动设计目标有可能进一步加剧低风速风机的跟 踪损失。这是因为，由于气动与控制的分离设计，气动设计师在气动设计过程中往往隐含假 设mppt控制可以保证风力机始终运行于y，进而以、t处的气动性能最佳为设

5、计目标。 这种仅追求单一工况点气动性能提升的优化方法，会导致优化叶片对应的&现曲线顶端较 陡。由于低风速风力机所处的运行风况特点及自身结构特性导致其更长时间运行在非最优叶 尖速比，尖而窄的&现曲线将进一步加剧其跟踪损失、大幅降低风能捕获效率。已经有气 动设计开始考虑风力机的转速控制性能。例如，针对定速风力机，以不同风速下风力机输出 功率的加权和为目标函数的气动设计方法；针对风力机翼型，以多个攻角下翼型升阻比的加 权和为目标函数的多攻角设计方法。本质上，风力机气动设计将目标函数从传统的单一工况 转变到多工况气动性能的做法，本身已经隐含了气动设计对控制动态的考虑。10. 可见，沿用分离设计思想在许

6、多方面不利于进一步解决低风速风力机的跟踪损失问题。 由于风力机的某些本体参数能够影响控制性能，而且受到考虑风力机控制的气动设计的启发， 利用风力机本体参数与MPPT控制之间的协同效应，开展风力机本体参数与跟踪控制的一 体化设计，应是进一步有效提升低风速风力机风能捕获效率的一条可行途径。11. 但是，在一体化设计过程中，风力机本体参数的调整必须满足所在学科领域的工程要求， 且在实际的设计/制造标准中的可调自由度不大。同时，多考虑一个本体参数，将增加一体 化设计中优化分析与计算的复杂度。如果将所有本体参数都与控制器进行一体化设计。即使 这样的一体化设计在理论上是可行的，但仅为效率提升而全面改动风力

7、机本体设计的代价也 是难以接受的。因此，寻找敏感影响风速跟踪控制性能的本体参数不仅十分必要，而且使 得基于敏感本体参数的一体化设计更具潜力和工程意义。这里的敏感本体参数是指那些经过 小幅调整就可以换取闭环性能明显提升的参数。12. 下面就风力机一体化设计方面的研究进展，从以下四个方面展开叙述。13. 首先，已经有研究指出平缓的&现曲线更有利于风力机实现MPPT；顶端较陡的&现 曲线会加剧跟踪损失问题，甚至导致风轮失去跟踪能力，从而严重影响风力机的效率。另外， 大量研究表明，风力机结构参数一一风轮转动惯量的提升不利于风力机的MPPT控制。这 些气动、结构参数对MPPT控制性能的影响也表明了风力机

8、一体化设计的必要性。14. 涵盖控制的风力机一体化设计还很少见，现有做法主要是通过构建同时包含气动、结构、 具体控制器参数的优化模型，将一般处于设计末尾的控制器设计提升至与气动、结构设计等 同对待，进而依赖优化算法实现各子系统之间的协调配合。15. 还有一种考虑控制性能的风力机本体设计。与参数联合优化不同，它们以从控制视角对 本体设计提出具体要求的方式参与风力机本体设计。以风力机多工况气动设计为例，MPPT 控制性能的提升希望平缓的Cp-A曲线，那么在气动设计过程中主动将目标函数修改为多个 工况点的平均气动性能。这样，在延续了经典的“先对象设计、再控制设计”分离设计原则 的同时可进一步提升系统

9、的闭环性能，因此，其本质仍是一体化设计。而且，这种一体化设 计方式因为不依赖于具体控制策略而使得设计结果更具一般性。16. 总结现有的风力机一体化设计，发现当前的风力机一体化设计，大多是将气动、结构与 控制多学科模型构架在一起，依靠智能算法进行本体参数与控制器参数的联合数值寻优。许 多联合优化的机理问题，如哪些本体参数会影响控制性能、本体参数改变控制性能的机理、 有利于控制性能提高的风力机本体参数的调节机制等尚待深入探讨。正是由于联合优化的机 理不明确，导致当前的风力机一体化设计在本体参数选择过程中存在一些问题，例如，可能 选择对闭环系统控制性能无影响的参数参与到一体化设计，这样只能无谓地增加

10、优化计算的 复杂度；选择的本体参数可能对控制性能影响不敏感，控制性能的优化可能导致这类不敏感 参数的大幅调整，这种为了性能的提升而去大幅修改本体设计的做法在工程上也是难以推进 的。17. 与参数联合优化不同，考虑控制性能的风力机气动设计以从控制视角对本体设计提出具 体要求的方式间接参与风力机本体设计。这种一体化设计方式不依赖于处于末端的具体控制 器，而且在延续了经典的分离设计原则的同时提升了系统的闭环性能。但该方法目前仍未成 熟，亟待探索。因此，解决上述问题的关键在于：在掌握风力机本体参数对控制效果的影 响机理的基础上，寻找对控制性能影响效应敏感的本体参数，探索考虑敏感本体参数对控 制性能影响

11、的风力机一体化设计方法。这样，较小的本体参数调整不仅能明显提升控制性 能，且更容易满足风力机本体设计的固有约束。18. 本文工作正是围绕上述科学问题展开，主要研究内容包括以下三个方面：首先探索风力 机本体参数对MPPT控制性能的影响机理和作用规律，并从中提取能够显著影响MPPT性 能的敏感参数。然后，深入探索敏感气动参数对MPPT的影响机理和作用规律，并尝试定 量描述这一影响，从而为完成考虑敏感本体参数对MPPT影响的本体设计奠定基础。最后， 在借鉴已有的考虑控制性能的风力机本体设计的基础上，根据敏感气动参数对MPPT的影 响及其描述，调整当前风力机气动设计的目标函数或约束条件，构建不含具体控

12、制器参数、 但能考虑敏感气动参数对MPPT控制影响的风力机气动设计模型，以形成更具总体工程可 行性的风力机一体化设计方法。下面重点介绍风力机本体参数对MPPT的影响分析及敏感参 数提取的相关内容，对于考虑控制的本体设计方法简要演示一下优化结果。19-20-21-22,从风力机闭环系统（翻到PPT20页）的视角出发，将影响MPPT控制效果的因 素按科学划分为风况参数、气动参数与结构参数（翻到21页），并结合本体设计模型，将本 体参数划分为集总参数与分布参数（翻到22页）；以风力机的闭环性能指标（包括运行叶尖 速比概率分布与平均风能捕获效率）来量化描述各参数对MPPT性能的影响。23, 在分析各影

13、响因素对MPPT性能的影响时，采用只改变单一关注因素而固定其他因素的 方法，并通过仿真比较因素改变前后闭环性能指标的变化规律。考虑到分布参数的种类和数 量较多、加之其不同排列组合又会产生新的叶片外形，因此，为缩小搜索范围以尽快找到影 响MPPT性能的敏感参数，采用从集总参数到分布参数的搜索路线。具体地，首先从风力机 本体参数中的集总参数入手，待从中搜索到敏感参数后，再深入到该敏感参数所在学科的具 体分布参数，从中搜索敏感参数。24, 通过闭环系统的动态仿真，可归纳出：风力机动态性能的提高或MPPT跟踪要求的降低， 都会促使运行叶尖速比更加集中地分布于最优叶尖速比附近、提升平均风能捕获效率;反之

14、， 则导致运行叶尖速比分布更分散、平均风能捕获效率越低。25, 灵敏度系数的计算结果如表所示。可见，相比结构参数（风轮转动惯量），气动参数对 MPPT性能的影响更敏感；而且，相比最大风能利用系数，气动参数中的最优叶尖速比、叶 片半径对MPPT的影响更为显著。26, 需要说明的是，因为无法用单值指标刻画C/曲线的平缓度，导致C/曲线的平缓度对 应的灵敏度系数难以计算。以平均风能捕获效率这一闭环性能指标对比分析了 Cp顷曲线的 平缓度与Cp max对MPPT的影响。研究发现，即使Cp max小幅降低，顶部较平缓的Cp-A曲线 仍可提升平均风能捕获效率。由此可推测，相比最大风能利用系数，Cp顷曲线的

15、平缓度对 MPPT的影响更为显著。27, 由于气动集总参数对MPPT性能的影响更为显著，深入到叶片气动分布参数（翼型、弦 长、扭角），通过遍历弦长和扭角、搜索相似翼型，以湍流风速下叶素的平均风能捕获效率 为指标，仿真比较各分布参数对MPPT控制性能的影响。28, 结果发现，翼型形状的细微调整能够带来更大幅的性能提升。29, 综上可知，相比结构参数（转动惯量）风力机的气动参数，尤其是最优叶尖速比、CpA 曲线平缓度、翼型外形可以更加显著地改变MPPT控制性能。因此，开展这些气动参数与 MPPT控制的一体化设计不仅易于达到协调目标、有效提升风能捕获效率，而且在满足风力 机本体设计的固有约束和工程可行性方面具有十分重要的现实意义。30. 然后分别选择不同的气动敏感参数，主要通过修改现有的气动设计模型中的目标函数， 考虑它们对MPPT控制性能的影响，完成了风轮气动参数与MPPT控制一体化设计。