● 摘要
风力发电作为一种新型绿色能源，越来越受到人们的重视。随着技术进步，风力机向大容量大型化发展，风力机的叶片尺寸和输出功率迅速增大，受到的载荷也越来越高。本文研究具有智能可变襟翼的风力机叶片气弹动力学建模与风力机的恒功率控制和降载控制，对于降低风机成本，提高风力机可靠性具有重要的理论意义和应用价值。本论文主要工作如下：
1. 基于叶素动量理论建立了具有智能可变襟翼的风力机空气动力学模型，为风力机恒功率控制奠定了基础。通过将后缘襟翼偏转角对叶片气动特性的影响引入经典的叶素动量理论并进行了修正，实现了具有可变后缘襟翼的风力机空气动力学建模。所建模型结构简单，便于实现及应用，仿真结果证明了所建模型的准确性和合理性。
2. 基于所提出的风力机气动力学模型，设计了具有可变后缘襟翼的风力发电系统恒功率控制器。当风速高于额定风速时，通过调节风力机叶片襟翼偏转角，使风力机功率维持在额定值，实现了风力发电系统的恒功率控制。通过微分几何线性化方法将非线性变襟翼风电模型进行全局准确线性化，分别采用鲁棒控制、最优控制和极点配置方法设计了反馈控制器。仿真结果证明了该方法能有效控制风力发电系统的输出功率，系统输出功率对于风载扰动具有良好的鲁棒性。
3. 建立了具有智能可变襟翼的风力机叶片气弹动力学模型，为风力机降载控制奠定了基础。基于所提出的智能风力机叶片的空气动力学模型，结合弹性铰链法建立了风力机叶片的气弹动力学模型，描述了智能风机叶片在风载和襟翼偏转角共同作用下的挥舞角和扭转角的动力学模型。
4. 对复杂的智能风力机叶片的气弹动力学模型进行了合理简化，在简化模型的基础上设计了降载控制器，仿真结果表明在随机风载下所设计的控制器能有效减小疲劳载荷。最后基于Simulink+dSPACE，搭建了基于智能风机的半实物仿真系统，其中智能襟翼采用压电材料驱动的智能结构并设计了具有迟滞逆补偿的反馈控制器以减小智能材料的迟滞特性对系统的影响。实验结果验证了所设计控制系统的正确性和有效性。