永磁直驱风力发电系统的无源控制方法研究

摘要

目前，风力发电技术作为一种清洁能源和可再生能源获得迅猛的发展，并在商业化和工业化领域具有重要的实用价值。直驱永磁风力发电系统具有结构简单，高效和可靠性高等特点，因其具有良好的发展潜力而获得了广泛的研究。本文针对永磁同步直驱风力发电系统中永磁发电机和机侧变流器的控制方法进行研究，主要研究内容包括机侧变流器的无源控制方法和无速度传感器控制技术。
　　本文首先阐述本课题的主要研究意义以及介绍永磁同步直驱风力发电系统的国内外研究发展趋势;对目前机侧的控制策略进行详细介绍和分析，并将无源控制的国内外研究现状以及在电气技术领域的应用进行介绍和分析;同时介绍无速度传感器控制技术的国内外研究现状和适用范围。
　　其次，对永磁同步直驱风力发电系统做简单的介绍，并阐述风力机的数学模型和最大功率点跟踪的控制机理;给出不同坐标相互关系和转换以及其相对应的举例，并建立永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型;同时介绍了欧拉，拉格朗日(Euler-Lagrange，EL)和端口受控耗散哈密顿(Port-Controlled Hamiltonian Dissipation，PCHD)系统的模型。
　　再次，在建立旋转坐标系下PMSG系统的数学模型基础之上，通过能量成形的角度分析，结合PCHD无源控制理论和模型，构建永磁同步直驱发电系统在标准PCHD下的数学模型，并考虑无源控制(Passivity-Based Control，PBC)中所涉及PMSG系统参数变化对控制精度的影响，构造出基于扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)的无源控制器，同时为了提高转速环的高精度控制，设计基于反双曲正弦函数的自抗扰转速调节器;再通过仿真实验验证其控制策略的控制性能。
　　然后，分析基于ESO的无源控制中阻尼矩阵参数的不足，设计基于ESO的模糊无源控制器;为了实现永磁同步直驱风力发电系统在全速范围内的无速度传感器控制，结合分数阶微积分和滑模控制原理的优点，构造基于分数阶滑模控制的转速观测器，并采用李亚普洛夫理论证明该观测器的稳定性和收敛性;同时建立它们的仿真模型进行正确性和有效性验证，并对其仿真结果进行分析。
　　最后，总结本文的主要研究成果以及在后续有待研究的内容。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 风力发电国内外研究现状及趋势

1．2．1 国外风力发电研究现状及趋势

1．2．2 国内风力发电研究现状及趋势

1．3 永磁同步直驱风力发电系统控制技术研究发展现状

1．4 无速度传感器控制技术研究发展现状

1．5 论文主要研究内容及框架

2 基于能量成型的永磁直驱风力发电系统建模分析

2．1 风力机数学模型及最大功率跟踪机理

2．1．1 风力机的数学模型

2．1．2 最大功率点跟踪控制机理

2．2 永磁同步发电机的数学模型

2．2．1 坐标变换

2．2．2 三相静止坐标系下PMSG的数学模型

2．2．3 两相静止坐标系下PMSG的数学模型

2．2．4 两相旋转坐标系下PMSG的数学模型

2．3 基于能量成型的系统模型分析与PCHD建模

2．3．1 耗散性与无源性

2．3．2 端口受控耗散哈密顿(PCHD)系统

2．3．3 端口受控耗散哈密顿(PCHD)系统的能量成形控制方法

2．4 小结

3 基于ESO的永磁同步直驱风力发电系统自抗扰无源控制

3．1 引言

3．2 基于PCHD系统的永磁同步发电机(PMSG)数学模型

3．2．1 PMSG系统的数学模型

3．2．2 PMSG系统的PCHD的数学模型

3．3 基于ESO的永磁同步发电机系统无源控制

3．3．1 传统无源控制器的设计

3．3．2 基于ESO的无源控制器的设计

3．4 基于反双曲正弦函数的自抗扰转速调节器的设计

3．4．1 一阶跟踪微分(TD)设计

3．4．2 二阶ESO的设计

3．4．3 一阶自抗扰控制器(ADRC)

3．5 仿真结果分析

3．5．1 传统无源控制和基于ESO的无源控制鲁棒性比较

3．5．2 基于PI和ADRC的两个无源控制PMSG系统比较

3．6 小结

4 永磁同步直驱风力发电系统无速度传感器模糊无源控制的研究

4．1 引言

4．2 基于ESO的模糊无源电流控制器的设计

4．2．1 模糊控制器

4．2．2 基于ESO的模糊无源控制器的设计

4．3 分数阶积分滑模观测器的设计

4．3．1 两相旋转坐标系下PMSG系统的数学模型

4．3．2 分数阶滑模观测器的设计

4．3．3 分数阶滑模观测器稳定性分析

4．4 仿真结果分析

4．4．1 基于ESO的无源控制和基于ESO的模糊无源控制系统仿真分析

4．4．1 基于分数阶滑模观测器的无速度传感器控制仿真分析

4．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果