基于分数阶理论的风电系统动力学特性分析及控制研究
发布时间：2021-11-10 17:07
在风电装机容量和规模不断扩大的趋势下,涌入了大量的电力电子器件、发电机等动态元件,将影响整个系统的稳定性。风电系统内部机、电、磁等非线性因素易激发振荡行为,导致系统出现分岔或混沌现象。分数阶建模与分数阶控制具有更高的自由度和更优的控制性能,且自然界中大多数系统都可用分数阶形式描述。因此,论文结合分数阶微积分理论,针对风电系统机、电、磁等非线性振荡特性分析与控制问题进行了系统研究。具体研究工作如下:（1）建立风电系统整数阶动力学模型,包括:风电机组轴系模型、永磁同步风力发电机模型、并网互联电力系统模型以及电力系统铁磁谐振模型,并介绍分数阶微积分的基本定义、性质、求解算法及稳定性定理等基础知识,为后文分数阶方程的稳定性理论推导、分析与控制奠定了基础。（2）针对风电机组轴系模型的动力学特性分析及控制问题,不考虑时变刚度及外激励的自治轴系模型,分析其动力学特性。考虑时变刚度和风力机的机械输入转矩与发电机电磁转矩的组合外激励作用下,运用多尺度法,得到非自治系统的分岔方程,揭示组合激励对系统动力学行为的影响规律。此外,在传动轴扭矩方程中,考虑分数阶阻尼力和非线性刚度,建立风电机组轴系分数阶模型,采...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传动链的两质量块简化模型
3风电机组轴系模型的动力学特性及控制33减少外扰幅值有助于风电机组轴系稳定。图3-4随激励幅值变化的分岔图和Lyapunov指数谱Fig.3-4ThebifurcationdiagramandLyapunovexponentialspectrumwithdifferentexcitationamplitude根据上述系统参数的设定值，给出了如图3-5所示的系统时序图和相图，进一步验证了系统混沌运动的发生历程。从图3-4和图3-5可以看出，组合激励作用下的风电机组轴系的非线性动力学行为较为复杂，系统经历了一系列的工作状态。虽然初值敏感的混沌运动仅是系统的暂态过程，但对整个系统的稳定性和安全性仍然是不利的。图3-5随激励幅值变化的时程图和相平面图(a)f=0.1;(b)f=5Fig.3-5TimedomainwaveformandPhaseportraitwithdifferentf(a)f=0.1;(b)f=5综述所述，通过自治与非自治轴系动力学特性分析及仿真结果可以发现，阻尼、非线性刚度及外扰激励幅值等变化都深刻影响着风电机组轴系稳定性，从数值计算可以推断，00.511.522.533.544.55-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5parameterfLyapunovExpoments051015202530354045505560-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08t/sx2/(rad/s)(a)-0.0200.020.040.060.08-0.04-0.0200.020.040.060.08x1/(rad)x2/(rad/s)(a)051015202530354045505560-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.2t/sx2/(rad/s)(b)-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81x1/(rad)x2/(rad/s)(b)
西安理工大学博士学位论文34阻尼值越小，非线性负刚度值及外扰激励幅值越大，越容易导致系统进入分岔或混沌运动状态，因此，为了保证系统稳定，有效地解决风电机组轴系扭转问题，有必要从以上几个方面研究一种快速抑制混沌状态的控制方法。3.3具有分数阶阻尼的轴系动态响应特性诸多研究表明，机械系统中阻尼的真实状态应该采用分数阶来模拟，而整数阶状态仅是其中一个特例。以上一节风电机组轴系模型为基础，考虑分数阶阻尼力，建立风电机组轴系分数阶模型，具体等效模型如图3-6所示。风力机发电机ggJωgTtTtJtωsksCshT分数阶阻尼图3-6含分数阶阻尼的两质量块简化模型Fig.3-6Two-masssimplifiedmodelwithfractionaldamping根据图3-6及式（2-4），传动轴的机械转矩shT采用分数阶阻尼和非线性刚度描述如下：3shssdTkkCdtαα=+′+（3-17）式中，sk为一次刚度系数，k′为三次方刚度系数，sC为分数阶阻尼系数。将式（3-17）代入式（2-1），结合式（2-2），可得()023dabFtdtαα+ω++=（3-18）式中，1122stgaCHH=+，01122sbtgkHHωω=+，2250bω=πf=π×，20b=ωk′，()22tgbtgTTFtHHω=+，F(t)为外界扰动激励。为了研究含分数阶阻尼的风电机组轴系动态响应特性，根据传统意义的共振概念，系统受到的外部激励频率与固有频率接近时所表现出振幅急剧增加的现象，通常是采用幅频特性曲线对共振现象进行分析。从上述研究结论可知，风电机组轴系是典型的单自由度欠阻尼系统，轴系扭振发生时外部激励频率趋近于系统固有频率，而且阻尼系数越小越接近。风电机组轴系受到组合激励作用下表现出复杂的运动状态。在风?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于参数观测器的不确定混沌电力系统参数辨识[J]. 王聪,张宏立,范文慧. 太阳能学报. 2019(04)
[2]含功率扰动电力系统混沌振荡的动态滑模控制[J]. 闵富红,马汉媛,王耀达. 通信学报. 2019(01)
[3]永磁同步电机混沌运动机理分析[J]. 孙黎霞,鲁胜,温正赓,李云峰. 电机与控制学报. 2019(03)
[4]基于鲁棒反演滑模法的电力系统混沌控制[J]. 胡茗,杨晓辉,王毅. 电测与仪表. 2019(03)
[5]光伏发电输出功率对配电网铁磁谐振的影响分析[J]. 李朝平,杨小兵,白维祖,赵映忠,李晓英,王兴贵. 兰州理工大学学报. 2018(05)
[6]基于双频扰动的互联电力系统混沌分析[J]. 胡振鑫,闵富红,周琪. 南京师范大学学报(工程技术版). 2018(02)
[7]阻尼互联电力系统混沌振荡的滑模干扰观测器[J]. 崔浩,章彦燕,朱英伟,张小康,陈文良. 电网技术. 2018(12)
[8]基于分岔理论的含前端调速式风电机组风电场并网电压稳定性分析（英文）[J]. 何爱欢,张蕊萍,董海鹰. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2018(01)
[9]基于分数阶微积分变压器模型的铁磁谐振混沌系统分析[J]. 张勋康,梁昊,王交通,韩宇超. 高压电器. 2017(12)
[10]永磁同步风电机组传动轴振动分析与抑制[J]. 刘军,周飞航,刘飞. 电工技术学报. 2018(04)
博士论文
[1]分数阶电路的性质及综合方法研究[D]. 马龙.华北电力大学(北京) 2018
[2]工程车辆粘弹性缓冲结构分数阶阻尼特性研究[D]. 李占龙.西安理工大学 2016
[3]含直驱风电机组的电力系统暂态稳定问题研究[D]. 刘忠义.华北电力大学(北京) 2016
[4]永磁同步电动机分数阶建模与控制研究[D]. 郑伟佳.华南理工大学 2016
[5]电动扬声器分数阶建模及非线性失真分析[D]. 孔晓鹏.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]基于固定时间的电力系统混沌控制研究[D]. 成宇宙.中国矿业大学 2019
[2]基于分数阶微积分电力系统铁磁谐振混沌现象的研究[D]. 韩宇超.西安理工大学 2018
[3]并网双馈感应风电系统轴系振荡特性及其控制策略研究[D]. 曾欣.重庆大学 2017
[4]永磁同步电机中有限时间混沌控制[D]. 陈向青.天津大学 2014
本文编号：3487621
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传动链的两质量块简化模型
3风电机组轴系模型的动力学特性及控制33减少外扰幅值有助于风电机组轴系稳定。图3-4随激励幅值变化的分岔图和Lyapunov指数谱Fig.3-4ThebifurcationdiagramandLyapunovexponentialspectrumwithdifferentexcitationamplitude根据上述系统参数的设定值，给出了如图3-5所示的系统时序图和相图，进一步验证了系统混沌运动的发生历程。从图3-4和图3-5可以看出，组合激励作用下的风电机组轴系的非线性动力学行为较为复杂，系统经历了一系列的工作状态。虽然初值敏感的混沌运动仅是系统的暂态过程，但对整个系统的稳定性和安全性仍然是不利的。图3-5随激励幅值变化的时程图和相平面图(a)f=0.1;(b)f=5Fig.3-5TimedomainwaveformandPhaseportraitwithdifferentf(a)f=0.1;(b)f=5综述所述，通过自治与非自治轴系动力学特性分析及仿真结果可以发现，阻尼、非线性刚度及外扰激励幅值等变化都深刻影响着风电机组轴系稳定性，从数值计算可以推断，00.511.522.533.544.55-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5parameterfLyapunovExpoments051015202530354045505560-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08t/sx2/(rad/s)(a)-0.0200.020.040.060.08-0.04-0.0200.020.040.060.08x1/(rad)x2/(rad/s)(a)051015202530354045505560-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.2t/sx2/(rad/s)(b)-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81x1/(rad)x2/(rad/s)(b)
西安理工大学博士学位论文34阻尼值越小，非线性负刚度值及外扰激励幅值越大，越容易导致系统进入分岔或混沌运动状态，因此，为了保证系统稳定，有效地解决风电机组轴系扭转问题，有必要从以上几个方面研究一种快速抑制混沌状态的控制方法。3.3具有分数阶阻尼的轴系动态响应特性诸多研究表明，机械系统中阻尼的真实状态应该采用分数阶来模拟，而整数阶状态仅是其中一个特例。以上一节风电机组轴系模型为基础，考虑分数阶阻尼力，建立风电机组轴系分数阶模型，具体等效模型如图3-6所示。风力机发电机ggJωgTtTtJtωsksCshT分数阶阻尼图3-6含分数阶阻尼的两质量块简化模型Fig.3-6Two-masssimplifiedmodelwithfractionaldamping根据图3-6及式（2-4），传动轴的机械转矩shT采用分数阶阻尼和非线性刚度描述如下：3shssdTkkCdtαα=+′+（3-17）式中，sk为一次刚度系数，k′为三次方刚度系数，sC为分数阶阻尼系数。将式（3-17）代入式（2-1），结合式（2-2），可得()023dabFtdtαα+ω++=（3-18）式中，1122stgaCHH=+，01122sbtgkHHωω=+，2250bω=πf=π×，20b=ωk′，()22tgbtgTTFtHHω=+，F(t)为外界扰动激励。为了研究含分数阶阻尼的风电机组轴系动态响应特性，根据传统意义的共振概念，系统受到的外部激励频率与固有频率接近时所表现出振幅急剧增加的现象，通常是采用幅频特性曲线对共振现象进行分析。从上述研究结论可知，风电机组轴系是典型的单自由度欠阻尼系统，轴系扭振发生时外部激励频率趋近于系统固有频率，而且阻尼系数越小越接近。风电机组轴系受到组合激励作用下表现出复杂的运动状态。在风?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于参数观测器的不确定混沌电力系统参数辨识[J]. 王聪,张宏立,范文慧. 太阳能学报. 2019(04)
[2]含功率扰动电力系统混沌振荡的动态滑模控制[J]. 闵富红,马汉媛,王耀达. 通信学报. 2019(01)
[3]永磁同步电机混沌运动机理分析[J]. 孙黎霞,鲁胜,温正赓,李云峰. 电机与控制学报. 2019(03)
[4]基于鲁棒反演滑模法的电力系统混沌控制[J]. 胡茗,杨晓辉,王毅. 电测与仪表. 2019(03)
[5]光伏发电输出功率对配电网铁磁谐振的影响分析[J]. 李朝平,杨小兵,白维祖,赵映忠,李晓英,王兴贵. 兰州理工大学学报. 2018(05)
[6]基于双频扰动的互联电力系统混沌分析[J]. 胡振鑫,闵富红,周琪. 南京师范大学学报(工程技术版). 2018(02)
[7]阻尼互联电力系统混沌振荡的滑模干扰观测器[J]. 崔浩,章彦燕,朱英伟,张小康,陈文良. 电网技术. 2018(12)
[8]基于分岔理论的含前端调速式风电机组风电场并网电压稳定性分析（英文）[J]. 何爱欢,张蕊萍,董海鹰. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2018(01)
[9]基于分数阶微积分变压器模型的铁磁谐振混沌系统分析[J]. 张勋康,梁昊,王交通,韩宇超. 高压电器. 2017(12)
[10]永磁同步风电机组传动轴振动分析与抑制[J]. 刘军,周飞航,刘飞. 电工技术学报. 2018(04)
博士论文
[1]分数阶电路的性质及综合方法研究[D]. 马龙.华北电力大学(北京) 2018
[2]工程车辆粘弹性缓冲结构分数阶阻尼特性研究[D]. 李占龙.西安理工大学 2016
[3]含直驱风电机组的电力系统暂态稳定问题研究[D]. 刘忠义.华北电力大学(北京) 2016
[4]永磁同步电动机分数阶建模与控制研究[D]. 郑伟佳.华南理工大学 2016
[5]电动扬声器分数阶建模及非线性失真分析[D]. 孔晓鹏.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]基于固定时间的电力系统混沌控制研究[D]. 成宇宙.中国矿业大学 2019
[2]基于分数阶微积分电力系统铁磁谐振混沌现象的研究[D]. 韩宇超.西安理工大学 2018
[3]并网双馈感应风电系统轴系振荡特性及其控制策略研究[D]. 曾欣.重庆大学 2017
[4]永磁同步电机中有限时间混沌控制[D]. 陈向青.天津大学 2014
本文编号：3487621
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