永磁直驱风电系统功率优化滑模控制方法研究

【摘要】：随着全球环境污染和能源危机日益严峻,风力发电作为一种清洁、无污染的可再生能源在解决这些问题上有着不可替代的作用,其中,永磁直驱风力发电系统(D-PMSG)因其体积小、成本低、发电效率高、结构简单、可靠性高等优点,成为了风电领域的研究重点。本文针对D-PMSG风电系统机侧部分,深入研究了全风速下的功率优化控制策略及其中的无传感器控制策略。本文首先建立了D-PMSG风电系统的数学模型,并进行了风力机最大风能追踪(MPPT)机理的分析,确定了低风速下采取基于定桨距的最佳叶尖速比控制方案,设计了双闭环全阶无抖振滑模控制器。根据当前风速应用最佳叶尖速比法得到参考转速,再通过全阶无抖振滑模控制器实现对电机的转速、电流控制,使发电机实际转速跟踪参考转速,实现额定风速以下的MPPT控制。其次,为了在高风速下抑制转速和输出功率的波动,设计了鲁棒自适应变桨距控制器。在模型参数未知不确定的情况下,引入复合误差变量,设计了鲁棒自适应控制律与自适应参数的更新率。在适当地选取设计参数后,鲁棒自适应变桨距控制器能够抑制转速超速,实现系统的恒功率运行,并且具有有比模糊控制和PID控制更小的波动幅度和更快的调节速度。然后,为了进一步的抑制输出功率的波动,在变桨距控制的基础上结合转矩控制,设计了功率平稳输出控制策略。采用变桨距控制,调节风机输出的机械功率,同时通过转矩控制,快速地平抑功率波动,保证系统恒功率运行。这样,利用转矩控制的快速性改善和优化了系统输出功率特性。将低风段与高风段的控制策略相结合,在额定风速以下时采用定桨距下基于最佳叶尖速比法的全阶无抖振滑模控制模式,额定风速以上时,采用变桨距控制与转矩控制相结合的功率平稳输出控制模式,实现全风速下的功率优化控制。最后,为了减小成本,增加系统可靠性,提出一种自适应全阶滑模观测器来实现无传感器控制,将全阶无抖振终端滑模控制与自适应控制相结合来估计转速和转子位置。基于永磁同步电机的电压平衡方程,设计全阶终端滑模面,通过控制律的设计,削弱了控制量的抖振。运用自适应控制来提取反电动势估计信号,通过自适应律来提取转速估计信号,得到平滑的转速与位置估计值。 【关键词】：永磁直驱风电系统 全阶终端滑模控制 最大风能追踪控制 变桨距控制 无传感器控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题的研究背景及意义9-10
• 1.2 风力发电系统发展现状及趋势10-14
• 1.2.1 国内外风力发电的发展现状10-11
• 1.2.2 风力发电系统主要类型11-13
• 1.2.3 风力发电系统运行特性13-14
• 1.3 风电系统控制策略研究现状14-18
• 1.3.1 滑模变结构控制在风电系统中的应用14-15
• 1.3.2 最大风能跟踪控制研究现状15-16
• 1.3.3 变桨距控制研究现状16-17
• 1.3.4 永磁直驱风电系统无传感器控制研究现状17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-20
• 第2章 基于全阶无抖振滑模的最大风能追踪控制20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 永磁直驱风电系统的数学模型20-25
• 2.2.1 风力机的数学模型20-22
• 2.2.2 传动系统的数学模型22
• 2.2.3 变桨距执行机构的数学模型22
• 2.2.4 永磁同步发电机的数学模型22-25
• 2.3 全阶无抖振终端滑模控制研究25-28
• 2.3.1 终端滑模控制方法对比25-26
• 2.3.2 仿真分析26-28
• 2.4 基于最大风能追踪的全阶无抖振滑模控制器设计28-31
• 2.4.1 转速外环全阶无抖振滑模控制器设计28-30
• 2.4.2 电流内环全阶无抖振滑模控制器设计30-31
• 2.5 最大风能追踪全阶无抖振滑模控制仿真分析31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 永磁直驱风电系统变桨距鲁棒自适应控制34-42
• 3.1 引言34
• 3.2 鲁棒自适应变桨距控制器设计34-38
• 3.2.1 模型线性化35-36
• 3.2.2 鲁棒自适应控制器设计36-38
• 3.3 变桨距鲁棒自适应控制仿真分析38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 永磁直驱风电系统全风速功率优化控制42-51
• 4.1 引言42
• 4.2 风电系统功率流分析42-43
• 4.3 额定风速以上功率平稳控制43-47
• 4.3.1 基于桨距角和转矩控制的功率平稳控制44-45
• 4.3.2 额定风速以上功率平稳控制仿真分析45-47
• 4.4 全风速下永磁直驱风电系统功率优化控制47-49
• 4.4.1 全风速下永磁直驱风电系统双模式控制47-48
• 4.4.2 全风速下功率优化控制仿真分析48-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第5章 永磁直驱风电系统自适应全阶滑模观测器设计51-64
• 5.1 引言51
• 5.2 自适应全阶滑模观测器设计51-56
• 5.2.1 全阶无抖振滑模观测器设计52-54
• 5.2.2 自适应律设计54-56
• 5.3 观测器鲁棒性分析56-59
• 5.4 自适应全阶滑模观测器仿真分析59-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-69
• 附录 169-70
• 附录 270-71
• 附录 371-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72-74
• 致谢74

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