基于虚拟参数的大型风力发电机的鲁棒自适应控制研究

摘要

在全球能源紧张的背景下，快速发展智能电网以及可再生能源，已成为世界各国关心的重要议题。风能因其储量丰富、无污染等突出优点，在新能源利用的研究中发展的相对成熟。为了降低基础建设成本以及提高风力发电机的装机总量，风力发电机单机容量不断增大，这就对应用在风力发电机上的各项技术有了更高的要求。控制技术因其担负保障风机高效稳定运行的作用而成为风力发电机的关键技术。风力发电机系统是一个高度非线性系统，存在许多未知参数以及外界扰动，传统的控制方法不能获得理想的控制效果。本文在研究国内外学术成果的基础上，运用先进的控制理论，实现对风力发电机最大功率点的全局渐进跟踪控制。
　　首先，本文介绍了国内外风电的发展现状，对风机的分类和结构进行了较为详细的叙述。在此基础上，阐述了变速变桨距风机的运行模式以及各种模式下的控制思想。精确建立风机机械子系统和电力子系统的非线性动力学模型，模型考虑了系统所有未知参数，精确性较强，能够充分地描述系统的实际运行状况。并引入“虚拟参数”这一全新概念，为实现全参数独立自适应控制打下基础。
　　其次，由于误差收敛的过渡过程是衡量控制器性能的一个重要指标，本文针对一类非线性系统的过渡过程优化问题，研究出一套系统性的面向PPB(Prescribed Performance Bound)的控制器优化设计方法，并应用于风力发电机变速控制器设计，保证了跟踪误差的收敛速度以及超调范围的可控可调，大大提高了风力发电机输出电能的质量。
　　最后，针对风力发电机最大功率点跟踪(MPPT)问题，充分考虑系统参数未知，基于“虚拟参数”和“修改李雅普诺夫函数”的概念，应用鲁棒自适应控制策略，实现了理想角速度的全局渐进跟踪。控制器设计分为两部分:直接转矩控制和励磁电压控制。每一部分都给出了控制器设计的详细推导过程以及基于修改李雅普诺夫函数的严格理论证明。同时，针对励磁电压控制，本文还考虑了执行器出错的情况，改进控制器，使其具有容错能力。本文所有的控制器设计均完全独立于系统参数，可以用于其他同类型不同参数的风机，有很强的可移植性。算法的仿真基于MATLAB工具箱，进一步地验证其有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外风电发展现状

1．2．1 国际风电发展现状

1．2．2 国内风电发展现状

1．3 本文研究内容

2 风力发电机组分类以及结构简介

2．1 风力发电机组分类

2．2 风力发电机组的构成

3 风力发电系统控制技术概述

3．1 风力发电系统的运行控制

3．2 变速恒频变桨距风机控制系统

3．2．1 风机运行过程分析

3．2．2 变速变桨风机的中间层控制技术

4 风机系统模型以及常用控制算法

4．1 基本概念

4．2 风机模型

4．3 现有控制方法研究

4．3．1 风力发电系统变速控制的传统方法

4．3．2 风力发电系统变速控制的现代方法

5 风机系统MPPT控制过程优化

5．1 优化过渡过程方法研究

5．2 PPB控制的实现

5．2．1 面向PPB的误差描述

5．2．2 面向PPB的误差转换

6 控制器设计

6．1 系统正常运行时的直接转矩设计

6．1．1 基于虚拟参数的转矩设计

6．1．2 稳定性证明

6．1．3 仿真验证

6．2 系统正常运行时优化过渡过程(PPB)的直接转矩设计

6．2．1 基于虚拟参数的面向PPB转矩设计

6．2．2 稳定性证明

6．2．3 仿真验证

6．3 系统正常运行时励磁电压设计

6．3．1 基于虚拟参数的励磁电压设计

6．3．2 稳定性证明

6．3．3 仿真验证

6．4 系统正常运行时优化过渡过程(PPB)的励磁电压设计

6．4．1 基于虚拟参数的面向PPB励磁电压设计

6．4．2 稳定性证明

6．4．3 仿真验证

6．5 执行器失效情况下的自适应容错控制

6．5．1 容错励磁电压控制器设计

6．5．2 稳定性证明

6．5．3 仿真验证

7 总结与展望

参考文献

附录

作者简历

学位论文数据集