永磁直驱风电系统机侧控制算法的研究

【摘要】：随着石油、煤炭、天然气等化石燃料的枯竭，可再生能源越来越受到世界各国的广泛关注。风能作为一种安全可靠无污染的可再生能源，近年来，在全世界得到了快速发展，尤其是永磁直驱风力发电系统得到越来越多的关注，本文主要的研究内容是永磁直驱风电系统机侧控制算法的研究和风机模拟的实现。 本文首先介绍了国内外风电研究的现状及其未来风电的发展趋势，然后介绍风力发电系统变流器研究现状，结合变流器的主要拓扑结构，本文选择了背靠背式PWM变换拓扑结构，并且对变流器的各种控制方法进行了分析，紧接着对观测器和风机模拟技术的研究现状进行了分析。 其次，从能量成型的角度分析了分析无源性和耗散性的相关理论，通过欧拉-拉格朗日方程衍生出系统哈密顿表达形式，论述了欧拉-拉格朗日系统及其控制器的设计思想，结合端口受控哈密顿方程和系统耗散性的概念，得到本文所要研究的端口受控耗散哈密顿系统（Port-controlled DissipativeHamiltonian，PCHD）。将PCHD系统与永磁直驱风力发电系统相结合，建立永磁风力发电系统的PCHD模型，为了实现最大风能追踪（MPPT）控制，将PCHD理论与非奇异终端滑模（NTSM）相结合，提出了一种永磁直驱风电系统的双闭环转速系统控制方案，并与传统PI控制进行了对比研究。所提控制策略使得系统具有更快的响应速度，鲁棒性和抗干扰能力较好，很好的实现了系统的最大风能追踪控制。 然后，针对在机侧控制中，光电编码器在强电干扰下或出现故障的情形下，容易将错误的转速和相位信息采集过来等问题，提出了一种非奇异高阶终端滑模观测器，抑制了传统滑模观测器所产生的抖振问题，对电机参数摄动具有很强的鲁棒性，采用自适应律估计电机转速，使转速稳态估计值更加平滑，提高系统的鲁棒性。 最后，基于直流电机搭建起风力机模拟实验平台，并在转矩控制方案下，完成了双闭环调速实验和风机模拟的转矩控制方案实验，验证了风机模拟实验的可行性。 【关键词】：永磁直驱风电系统 PCHD NTSM 自适应滑模观测器 风力机模拟
【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】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究意义9
• 1.2 风电系统研究现状9-13
• 1.2.1 国外风力发电的发展现状9-10
• 1.2.2 国内风力发电的发展现状10-11
• 1.2.3 变速恒频风力发电系统的研究现状11-13
• 1.3 风力发电系统的变流器控制技术13-15
• 1.3.1 变流器的主要拓扑结构13-14
• 1.3.2 变流器的主要控制方法14-15
• 1.4 观测器的研究现状15-16
• 1.5 风机模拟技术的研究现状16-17
• 1.5.1 风机模拟技术简介16-17
• 1.5.2 风机模拟技术的研究现状17
• 1.6 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 永磁直驱风力发电系统 PCHD 建模19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 永磁风力发电系统的数学模型19-23
• 2.3 永磁风力发电系统的 PCHD 模型的建立23-27
• 2.3.1 系统的耗散性和无源性23-24
• 2.3.2 系统的欧拉-拉格朗日方程24-26
• 2.3.3 永磁风力发电系统的 PCHD 模型26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 基于 PCHD 滑模控制方法的最大风能追踪的研究28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 风力机的数学模型28-30
• 3.3 永磁直驱风电系统的最大风能追踪机理30-32
• 3.4 永磁风电系统机侧 PCHD 滑模控制器32-36
• 3.4.1 转速外环非奇异高阶滑模控制器32-33
• 3.4.2 电流内环 PCHD 控制器33-36
• 3.5 仿真研究36-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 基于 PCHD 方法的永磁风力发电机的无速度传感器设计40-57
• 4.1 引言40
• 4.2 滑模观测器40-47
• 4.2.1 非奇异高阶终端滑模观测器41-45
• 4.2.2 滑模观测器仿真分析45-47
• 4.3 自适应滑模观测器47-56
• 4.3.1 自适应高阶滑模观测器47-53
• 4.3.2 自适应两种滑模观测器仿真分析53-55
• 4.3.3 PCHD 滑模系统对观测器的影响及其鲁棒性分析55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 永磁直驱风电系统风机模拟技术57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 风力机的气动特性57-58
• 5.3 风机模拟器的结构及功能58-59
• 5.4 风机模拟器的硬件平台59-60
• 5.5 风机模拟器的设计软件60-64
• 5.5.1 ServoDesigner 软件60-61
• 5.5.2 Labwindows/CVI 软件61-64
• 5.6 实验结果及分析64-66
• 5.6.1 电机的双闭环调速实验64-65
• 5.6.2 风机模拟的转矩控制方案实验65-66
• 5.7 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-75
• 致谢75

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