风能转换系统的分析、控制与优化方法研究

摘要

风能是可再生的绿色能源，具有广泛的应用前景。风能转换系统由风力机、机械传动部分、发电机部分等组成，考虑其复杂性及特殊性，控制器应满足不同控制目标的要求，对风能转换系统控制方法和优化技术的研究逐渐成为风电领域研究的热点和难点。在风能转换系统的建模基础上，引入先进优化控制理论，研究具有高精度、高效率、高动态性能的风能转换系统的控制方法，对促进风电产业的蓬勃发展具有重要的理论研究价值和工程实践意义。
　　 论文建立了风能转换系统的风力机、传动系统、发电机组和桨距伺服系统的非线性机理模型；分析风速的多时间尺度双频特性，将风速分解为低频分量和高频分量，建立了风能转换系统双频归一化低频模型和高频模型，为后续各种控制策略的实现奠定研究基础。
　　 针对风能转换系统存在不稳定性、随机性、风速干扰等具有一定程度的不确定性因素，提出了一种风能捕获模糊自适应控制策略。首先利用风能转换过程的输入和输出，采用模糊参数自适应控制方法，在线调整控制器参数，改善系统的动态品质；进而，将模糊控制器植入模型参考自适应控制系统构架中，以模糊逆模型结合自适应调整算法取代常规自适应规则，设计模型参考模糊自适应控制方法，实现模型动态跟踪，该方法设计简单，鲁棒性强，提高系统了动态性能。
　　 考虑风能转换系统实际工况中存在参数摄动和未知干扰，引入一种混合灵敏度H∞鲁棒控制方法，结合系统特点选择鲁棒加权函数，设计风力发电机的转速控制器，实现额定风速以下的风能最大捕获，并使得系统具有良好的鲁棒性能。进而，引入线性参数变化（Linear Parameter-varying，LPV）系统理论，建立了风能转换系统高频LPV模型，提出了基于H∞状态反馈的增益调度控制器，对系统参数变化进行动态补偿。
　　 针对风能转换系统中的风能最大捕获和电磁转矩振荡等性能的多重目标需求，提出建双频环控制结构，低频环采用PI控制方法，高频环根据系统性能要求，分别采用不同的控制方法。首先，以内部稳定性为设计目标，选择合理的权重函数，采用H∞控制，通过解LMI不等式方程求得多目标控制器；其次，考虑随机测量噪声和任意扰动的影响，利用混合H2/H∞控制思想，设计系统的H2/H∞控制器，通过调整H∞指标的大小，求解最小H，指标，实现系统在多个目标间的折衷；最后，引入线性参数变化(LPV)系统理论，设计基于H∞状态反馈的变增益调度控制器，对低频多变量控制器进行动态补偿。
　　 基于dSAPCE构建风能转换系统控制器硬件实验平台，以DSP微处理器为核心搭建风力机模拟器，采用快速控制原型(Rapid Controller Prototyping. RCP)方式，在硬件上实时运行，验证了提出的理论方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 世界能源消费趋势

1.1.2 国内外风力发电的现状

1.1.3 国内外风力发电的发展趋势

1.2 风能转换系统调节方式

1.2.1 定速定桨距调节

1.2.2 定速变桨距调节

1.2.3 变速定桨距调节

1.2.4 变速变桨距调节

1.3 风能转换系统控制目标

1.3.1 能量捕获

1.3.2 可靠运行

1.3.3 电能质量

1.4 风能转换系统控制方法的国内外研究现状

1.4.1 单目标控制方法

1.4.2 多目标优化控制方法

1.4.3 现状分析

1.5 论文主要内容

第二章 风能转换系统的建模

2.1 引言

2.2 风能转换系统非线性模型

2.2.1 气动子系统模型

2.2.2 传动系统模型

2.2.3 发电机模型

2.2.4 桨距伺服机构模型

2.2.5 风能转换系统的非线性模型

2.3 风能转换系统的归一化建模

2.3.1 风速的双频特性

2.3.2 风能转换系统的非线性低频模型

2.3.3 风能转换系统的高频线性模型

2.4 本章小结

第三章 风能转换系统的模糊自适应控制

3.1 引言

3.2 风能转换系统的模糊参数自适应控制

3.2.1 模糊自适应PID控制器设计

3.2.2 仿真研究

3.3 风能转换系统的模型参考模糊自适应控制

3.3.1 模型参考模糊自适应控制器设计

3.3.2 仿真研究

3.4 本章小结

第四章 风能转换系统鲁棒控制

4.1 引言

4.2 风能转换系统的混合灵敏度H∞鲁棒控制

4.2.1 风能转换系统线性化模型

4.2.2 混合灵敏度控制

4.2.3 加权系数选择

4.2.4 控制器的设计

4.2.5 仿真研究

4.3 风能转换系统的LPV鲁棒控制

4.3.1 LPV性能

4.3.2 风能转换系统归一化LPV模型

4.3.3 风能转换系统LPV控制器设计

4.3.4 仿真研究

4.4 本章小结

第五章 风能转换系统的多目标控制

5.1 引言

5.2 风能转换系统的双频环多目标H∞鲁棒控制

5.2.1 控制系统结构

5.2.2 混合灵敏度控制

5.2.3 加权系数选择

5.2.4 仿真研究

5.3 风能转换系统的双频环H2/H∞优化控制

5.3.1 问题描述

5.3.2 基于状态反馈的H2/H∞优化控制

5.3.3 仿真研究

5.4 风能转换系统的LPV多目标鲁棒控制

5.4.1 风能转换系统多变量LPV模型

5.4.2 风能转换系统双频环多变量拉制

5.4.3 风能转换系统高频环LPV控制器设计

5.4.4 仿真研究

5.5 本章小结

第六章 基于dSPACE风能转换系统控制器的设计与实现

6.1 引言

6.2 风能转换系统控制器硬件平台设计

6.2.1 风力机模拟

6.2.2 变速定浆风力发电机控制系统设计

6.2.3 储能控制系统

6.3 风能转换系统控制器平台软件设计

6.3.1 基于dSPACE风能转换控制系统软件设计

6.3.2 实验结果

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1: 作者在攻读博士学位期间所获得的科研成果

附录2: 仿真参数

附录3: 电池充放电控制器原理图

附录4: 硬件平台