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风力发电系统基于能量的非线性控制

作　者: 高文亮
导　师: 王玉振
学　校: 山东大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 风力发电最大风能捕获双馈异步发电机直驱式永磁同步发电机哈密顿系统能量整形-阻尼注入耗散哈密顿实现
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着能源危机和环境污染日益严重,人们开始寻找清洁环保的新能源以替代常规能源。目前,在众多新型能源中,风力发电作为一种技术相对成熟、适合于大规模商业开发的清洁能源,受到了广泛的关注。为满足风力发电机组并网发电的要求,风力发电机组的单机容量越来越大,迫切的要求风力发电机提高风能利用率和系统运行的稳定性。发电机是风力发电系统的核心部件之一,发电机及其控制系统的运行状况的好坏直接决定着风力发电运行的稳定性和输出的电能的质量。风力发电系统是一个强非线性系统,并且存在着不确定参数和干扰信号。传统的基于某一工作点的线性化的控制方法只能够保证在工作点附近的控制效果,却无法满足实际风电系统的控制要求。因此,近年来各种非线性控制方法逐渐开始出现在风力发电系统控制研究中。广义哈密顿系统结构清晰、物理意义明确,它描述了一类关于能量产生、耗散和传输的动态系统。在一定条件下,哈密顿系统的能量函数H(x)可以构成系统的Lyapunov函数。这使得哈密顿控制系统理论在系统的稳定性分析以及控制设计,如镇定控制、鲁棒控制、自适应控制、观测器设计等问题中有着明显的优势。近年来,哈密顿系统在电力系统的控制中得到了许多的应用。本论文用哈密顿控制系统理论方法来设计风力发电系统的控制器的,充分的考虑风力发电系统的非线性特性,得到了很好的控制效果。本文首先介绍了风力发电的基础知识,包括风力发电系统最大风能捕获的原理、风力发电技术和控制策略等。其次介绍了一些预备知识,包括一些非线性控制理论的基本概念以及哈密顿系统理论的简单介绍,并且给出了两种常见的风力发电系统的数学模型。再次研究了双馈风力发电系统基于能量的非线性控制器设计。应用能量整形-阻尼注入的方法设计了系统的最大风能捕获控制器：在考虑系统存在干扰的情况下,设计了双馈风力发电系统鲁棒控制器。最后研究了直驱式永磁同步风力发电系统基于能量的非线性控制器设计。应用哈密顿系统理论方法设计了直驱式永磁同步风力发电系统的最大风能捕获控制器、自适应控制器和鲁棒控制器。本文设计的控制器均通过仿真验证了控制器的有效性。

全文目录

目录  5-11
摘要  11-12
Abstract  12-14
第一章绪论  14-22
  1.1 风力发电系统概述  14-17
    1.1.1 课题的背景及意义  14-15
    1.1.2 风力发电机的结构及分类  15
    1.1.3 风力机的基本特性  15-16
    1.1.4 风力发电机最大风能捕获的原理  16-17
  1.2 风力发电技术概述  17-19
    1.2.1 风力机的功率调节技术  17-18
    1.2.2 风力发电机的变速恒频发电技术  18-19
  1.3 风力发电的控制策略  19-20
  1.4 本文的主要内容  20-22
第二章预备知识  22-32
  2.1 非线性控制理论基础知识概述  22-25
    2.1.1 Lyapunov稳定性的概念及定理  22-23
    2.1.2 无源性  23-24
    2.1.3 耗散性和L_2增益  24-25
  2.2 哈密顿控制系统理论简介  25-27
  2.3 双馈异步风力发电机的数学模型  27-30
    2.3.1 馈异步风力发电机的工作原理  27-28
    2.3.2 馈异步风力发电机的数学模型  28-30
  2.4 直驱永磁同步风力发电机的数学模型  30-31
    2.4.1 直驱永磁同步风力发电机的的工作原理  30
    2.4.2 直驱永磁同步风力发电机的数学模型  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章双馈异步风力发电机基于能量的非线性控制  32-46
  3.1 双馈异步风力发电机系统的哈密顿实现  32-33
  3.2 双馈风力发电系统基于能量的最大风能捕获控制器设计  33-39
    3.2.1 哈密顿系统的能量整形与阻尼注入  34-35
    3.2.2 控制器的设计  35-37
    3.2.3 仿真分析  37-39
  3.3 双馈风力发电机基于能量的鲁棒控制器设计  39-45
    3.3.1 哈密顿系统的鲁棒控制  39-40
    3.3.2 鲁棒控制器的设计  40-43
    3.3.3 仿真分析  43-45
  3.4 小结  45-46
第四章直驱式永磁同步风力发电机基于能量的非线性控制  46-64
  4.1 直驱式永磁同步风力发电机系统哈密顿实现  46-47
  4.2 直驱式永磁同步风力发电机基于能量的最大风能捕获控制器设计  47-51
    4.2.1 控制器设计  47-49
    4.2.2 仿真分析  49-51
  4.3 直驱式永磁同步风力发电机基于能量的自适应控制器设计  51-57
    4.3.1 耗散哈密顿系统的自适应控制  51
    4.3.2 控制器设计  51-55
    4.3.3 仿真分析  55-57
  4.4 直驱式永磁同步风力发电机基于能量的鲁棒控制器设计  57-62
    4.4.1 鲁棒控制器设计  57-60
    4.4.2 仿真分析  60-62
  4.5 小结  62-64
第五章结论与展望  64-66
  5.1 结论  64
  5.2 展望  64-66
参考文献  66-71
攻读硕士学位期间撰写的论文和参加的科研项目  71-72
致谢  72-73
简历  73-74
学位论文评阅及答辩情况表  74

风力发电系统基于能量的非线性控制

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