基于无速度传感器的变风速风力发电机的二阶滑模控制策略研究

发布时间：2021-08-16 16:00

　　随着风力发电在能源领域所占比重越来越大,世界各国对风力发电机运行时的安全性、成本、发电质量和发电效率都有了越来越严格的要求。其中保证风力发电机安全稳定高效运行的控制策略逐渐成为控制界和工程界的研究重点和热点。因此,深入研究风力发电控制技术对于优化风力发电机组运行状况、风力发电并网运行技术以及实现风机知识产权自主化,提高市场竞争力方面具有重要意义。本课题就以考虑了在变风速条件下,永磁同步电机的强非线性、复杂性特性以及工作环境恶劣等特点,导致风力发电系统的运行过程中不可避免的遇到各种状况和问题的情况下,风力发电系统在控制器的作用下仍能实现安全可靠运行以及最大效率捕获风能为研究目的进行研究。主要研究内容如下:风力涡轮机和永磁同步发电机建模与模型分析是对风力发电系统进行控制的基础。首先,选取合适的动力学模型,建立涡轮机叶片的机械模型;其次,建立永磁同步电机的电力学模型,在合理假设条件下,建立并化简与永磁同步电机啮合的风力发电机动力学模型。为了方便后续控制器的设计,需要对建立的风力发电机机动力学模型进行分析与处理。在风力发电系统中,变速运行方式是最佳功率跟踪的重要方式,即根据风速的变化及时调整转速的变化,进而达到最佳功率跟踪,因此转子转速是风力发电系统中的一个重要变量。但是由于速度传感器易受环境影响,并且价格昂贵,维修困难,因而无速度传感器控制在风力发电系统中尤为重要。本文设计一个扩展状态观测器代替传感器以实现对风机最佳转矩的估计,估计的转矩会用在控制环节外环的转矩参考。针对永磁同步电机的双环控制策略研究。系统的控制外环为气动转矩调节环,外部环路的控制目标为通过跟踪最大风力捕获的最大转矩并以此计算出内部环路所需要的控制参数。在转矩调节回路应用扩展状态观测器估计的转矩。内环的控制目标是使永磁同步电机的输出功率有用功占比达到最大值,通过调节电流将交流电源高效转换为直流电源。在目前的控制设计中,非线性控制算法控制效果要明显好于传统控制策略,仿真结果证实了基于扩展状态观测器的二阶滑模控制器的有效性和鲁棒性,并与传统的PI控制做了对比。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315;TP212

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 世界风能发展现状

1.2.2 风力发电机控制技术

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第2章坐标变换及风力发电机模型的建立

2.1 引言

2.2 三相静止到两相旋转坐标系的建立

2.2.1 相关坐标系介绍

2.2.2 功率不变约束条件下的变换矩阵

2.2.3 矢量幅值不变约束条件下的坐标变换和变换矩阵

2.3 两相同步旋转坐标系下永磁同步电机数学模型

2.3.1 PMSG在三相静止坐标系下的数学模型

2.3.2 PMSG在两相静止坐标系下的数学模型

2.3.3 PMSG在两相旋转坐标系下的数学模型

2.4 风力发电机机械部分的模型建立

2.5 本章小结

第3章扩展状态观测器及电机控制设计

3.1 引言

3.2 扩展状态观测器的设计

3.2.1 扩展状态观测器的基本原理

3.2.2 对风力发电机的扩展状态观测器设计

3.3 最大功率跟踪算法(MPPT)原理

3.3.1 风能极限效率(Betz理论)理论

3.3.2 风力发电机的最大功率捕获

3.4 交流电机矢量控制思想以及SVPWM技术

3.4.1 矢量控制原理

3.4.2 空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)

3.4.3 过调制状态下的解决办法

3.5 永磁同步电机的双闭环二阶滑模控制策略

3.5.1 二阶滑模控制技术介绍

3.5.2 气动转矩调节环

3.5.3 电流控制环

3.6 本章小结

第4章基于SIMULINK平台的仿真模型搭建及结果

4.1 引言

4.2 仿真模型的搭建以及参数选择

4.3 仿真结果及对比

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

【参考文献】