直驱永磁同步风力发电机鲁棒H_∞控制
发布时间：2019-10-08 15:38
【摘要】：随着经济社会的快速发展,能源需求也随之不断增大,包含煤、石油、天然气在内的化石能湖，不仅储量有限,而且其燃烧造成了严重的环境污染,风能是清洁、安全、资源丰富的可再生能源,因此风能的开发利用及研究越来越引起世界各国的高度重视。直驱永磁间步风力发电系统风力机直接与发电机相连接,减少了传动损耗,因此具有发电效率高、可靠性高、运行及维护成本低等优点,已成为大型风力发电系统主要类型之一。永磁同步风力发电系统是一个非线性、强偶合、时变系统,由于传统的控制策略对系统模型及参数依赖性较高,因此基于传统控制策略的永磁同步风力发电机最大风能眼踪控制根难获得满意的控制性能。H_∞控制埋论能够有效的抑制控制系统参数的变化和外界扰动等因素的影响，因而木文围绕基于H_∞控制策略直驱永磁同步风力发电机最大风能跟踪控制进行研究,主要研究内容如下：(1) 详细介绍了直驱永磁同步风力发电系统的基本原理，并建立了风力机、永磁同步风力发电机的数学模型。(2)以风力机、永磁同步风力发电机的数学模型为基础,设计出适用于H_∞鲁棒控制的数学模型,井建立了参数摄动下系统的不确定模型。(3)针对参数不确定情况下的鲁棒控制间题，基于H_∞控制理论,依据系统的摄动数学模型,以提高系统的鲁棒稳定性与鲁棒性能为目标，综合设计了H 控制器。并利用结构奇异值法(μ分析方法)分析了闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能,对闭环摄动系统的时域辅出响应进行仿真分析和研究。(4)基于MATLAB/Simulink软件，搭建风力机、永磁同步发电机以及机侧变流器等模块，对基于PI控制策略和H_∞控制策略直驱水磁同步风力发电机最大风能跟踪控制进行访真研究，井进行对比分析。(5)设计了滑模模--H_∞混合控制器,采用滑模控制方法设计系统的输入跟踪控制器。保证系统的快速跟踪性能;采用H_∞控制万法来设计抗扰控制器,在保证系统稳定性的同时,对扰动和参数变化进行有效的抑制。
【图文】：
用先进的技术手段开发可再生的绿色能源，调整以煤、石油、天然气为主的能源结构结解决环境恶化和能源危机问题，如风能、海洋能、生物质能、太阳能等绿色清洁的能源发利用，使它们在能源结构中的比例大大提高【1】。可再生清洁能源中，太阳能处处皆有，开发潜力巨大，基本对环境没有污染，但利太阳能发电目前还存在成本高、转换效率低的问题。从目前来看，生物质能的开发规模小；海洋中的潮汐能、波浪能发电，虽有进展，但因其不稳定，一时难以大规模应用。能是资源丰富、绿色、安全的可再生能源，由于风力发电系统造价低、占地少、无污投资灵活、施工周期短等优点，风能被人们称为这些可再生清洁能源中最有发展前景，发技术也相对成熟的能源之一【1,2】。最近几年，随着科技迅速发展，发电成本也在大幅下降，风力发电的成本在新能源电中已经接近火力发电的成本，被认为是最有发展前景的能源产业，也是电力能源中比增长最快的能源之一，年增幅约 27％【3,4,5】。因此，对风电系统的深入研究意义重大。图 1-1 为 1997 年到 2014 年全球风力发电新增装机容量情况，图 1-2 为 1997 年到 2年全球风力发电累计装机容量情况【6】。从这两个图中可以看到，全球风力发电装机容在不断快速地增加。
图 1-2 1997-2014 年全球风力发电累计装机容量情况Fig. 1-2 Global installed capacity of wind power generation in 1997-2014风力发电系统中的关键技术，特别是控制系统关键技术比较落后是阻碍我国风力发电发展的核心因素。通过我国科研人员的坚持不懈，设计出的风力发电控制系统已经可以实现简单的控制能力。不过如何提升发电机组在恶劣环境下的控制性能，这方面的研究探索还非常少，对于如何控制风力发电系统，基本都基于标称模型，使用 PID 算法来实现。怎样做到让系统具有较好的可靠性和鲁棒性，且方便工程应用，还应该进行深入地研究【1】经典的控制系统设计方法要求有一个确定的数学模型。在建立数学模型的过程中，往往要忽略许多不确定因素，但经过以上处理后得到的数学模型已经不能完全描述原来的物理系统，而仅仅是原系统的一种近似。对许多要求不高的系统，这样的数学模型已经能够满足工程要求。然而，对于一些精度和可靠性要求较高的系统，若采用这种设计方法，就有可能使系统不稳定或者控制效果较差，因此，为了解决不确定控制系统的设计问题，，科学家们提出了鲁棒控制理论。由于鲁棒控制器是针对系统工作的最坏情况而设计的，因此能适应所有其它工况，所以它是解决这类不确定系统控制问题的有力工具。永磁同步电机有强耦合、时变、非线性等特点，为了使系统具备快速的动态响应和优
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM315
【图文】：
用先进的技术手段开发可再生的绿色能源，调整以煤、石油、天然气为主的能源结构结解决环境恶化和能源危机问题，如风能、海洋能、生物质能、太阳能等绿色清洁的能源发利用，使它们在能源结构中的比例大大提高【1】。可再生清洁能源中，太阳能处处皆有，开发潜力巨大，基本对环境没有污染，但利太阳能发电目前还存在成本高、转换效率低的问题。从目前来看，生物质能的开发规模小；海洋中的潮汐能、波浪能发电，虽有进展，但因其不稳定，一时难以大规模应用。能是资源丰富、绿色、安全的可再生能源，由于风力发电系统造价低、占地少、无污投资灵活、施工周期短等优点，风能被人们称为这些可再生清洁能源中最有发展前景，发技术也相对成熟的能源之一【1,2】。最近几年，随着科技迅速发展，发电成本也在大幅下降，风力发电的成本在新能源电中已经接近火力发电的成本，被认为是最有发展前景的能源产业，也是电力能源中比增长最快的能源之一，年增幅约 27％【3,4,5】。因此，对风电系统的深入研究意义重大。图 1-1 为 1997 年到 2014 年全球风力发电新增装机容量情况，图 1-2 为 1997 年到 2年全球风力发电累计装机容量情况【6】。从这两个图中可以看到，全球风力发电装机容在不断快速地增加。
图 1-2 1997-2014 年全球风力发电累计装机容量情况Fig. 1-2 Global installed capacity of wind power generation in 1997-2014风力发电系统中的关键技术，特别是控制系统关键技术比较落后是阻碍我国风力发电发展的核心因素。通过我国科研人员的坚持不懈，设计出的风力发电控制系统已经可以实现简单的控制能力。不过如何提升发电机组在恶劣环境下的控制性能，这方面的研究探索还非常少，对于如何控制风力发电系统，基本都基于标称模型，使用 PID 算法来实现。怎样做到让系统具有较好的可靠性和鲁棒性，且方便工程应用，还应该进行深入地研究【1】经典的控制系统设计方法要求有一个确定的数学模型。在建立数学模型的过程中，往往要忽略许多不确定因素，但经过以上处理后得到的数学模型已经不能完全描述原来的物理系统，而仅仅是原系统的一种近似。对许多要求不高的系统，这样的数学模型已经能够满足工程要求。然而，对于一些精度和可靠性要求较高的系统，若采用这种设计方法，就有可能使系统不稳定或者控制效果较差，因此，为了解决不确定控制系统的设计问题，，科学家们提出了鲁棒控制理论。由于鲁棒控制器是针对系统工作的最坏情况而设计的，因此能适应所有其它工况，所以它是解决这类不确定系统控制问题的有力工具。永磁同步电机有强耦合、时变、非线性等特点，为了使系统具备快速的动态响应和优
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM315
【参考文献】
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本文编号：2546361
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