海上风电与储能系统的鲁棒最优控制

摘要

现代社会的发展使得能源、资源与环境的矛盾越来越严重。随着化石能源的日渐枯竭，发展新的绿色能源已经迫在眉睫。风力发电因其清洁、无污染、可再生，量大面广等优点成为各国争相开发的新能源。然而由于风电不稳定与随机性，大规模并网风电会对电能质量和电网的安全性带来挑战，因此发展储能技术对风电有重要意义。在众多新型储能技术中，氢能以其独特的性质成为储能领域的新星。氢气不含碳，燃烧后不会产生温室气体，成为被广泛关注的新型能源。发展风氢互补系统是最值得期待的未来能源形式之一。在对控制理论的研究中，鲁棒控制是近年来取得较大发展的控制方法。针对风电和储能联合系统中存在的不确定性和干扰，应用鲁棒H∞控制变桨距系统可以很好地抑制风对海上风电系统的动态载荷的干扰。在对氢燃料电池的空气供应系统中，对压力的控制是中心问题之一。针对建模过程中忽略的高频因素和系统在运行中受到的干扰，应用鲁棒H∞混合灵敏度控制可以将压力稳定在理想值上。
　　本文以实现风-氢耦合发电系统为研究对象。应用变速恒频技术使海上风力发电机在较大风速范围内的风能转化效率达到最优。根据海上风机受载荷波动影响大的特点，运用H∞控制对系统受到的扰动具有鲁棒性，设计了H∞状态反馈变桨距控制器，减少了风机承受的载荷，降低了风机的机械零部件如塔架、桨叶和传动轴的疲劳度，从而延长机组的使用寿命。最后，为解决弃风限电，提高风能的利用效率，将风场多余的风能资源通过电解水制成氢气，储存在质子交换膜氢燃料电池中。提高燃料电池效率的关键在于控制空气供应管道的压力稳定，从而使阴极的氧气流量充足，促进氢气的充分燃烧。通过H∞混合灵敏度控制，实现了在模型不确定的情形下仍然能使空气供应系统的压力稳定在额定值，达到了良好的控制效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外风电与储能研究现状

1.3∞H 控制发展现状

1.4 论文主要内容及章节安排

第2章 鲁棒控制理论基础

2.1 鲁棒控制问题的提出

2.2 鲁棒控制的时域描述

2.3鲁棒控制的频域描述

2.4 鲁棒H∞控制器的有效性验证

2.5 本章小结

第3章 风力发电系统运行原理与仿真

3.1 风力机的建模

3.2 海上风速的模型与仿真

3.3双馈电机运行原理与数学建模

3.4直接转矩控制基本原理

3.4双馈电机直接转矩控制仿真

3.5 本章小结

第4章 抑制载荷的海上风电机组H∞变桨距控制

4.1 风电机组桨距控制的分类

4.2 抑制载荷问题的提出

4.3 海上风机的数学模型

4.4 鲁棒H∞控制器的设计与仿真

4.5 本章小结

第5章 基于H∞控制的燃料电池空气供应系统设计

5.1风氢互补系统研究现状

5.2 质子交换膜燃料电池的建模

5.3 ∞H 混合灵敏度问题

5.4鲁棒H∞控制器的设计与仿真

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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