永磁直驱风电系统无源无速度传感器控制方法研究

【摘要】：目前，风力发电作为一种清洁型可再生能源得到了快速发展，其中永磁直驱型风力发电系统因其具有很好的发展潜力而受到了广泛关注，本文针对永磁直驱风力发电系统机侧的控制方法进行研究，研究的主要内容是机侧的无源控制和无速度传感器控制方法。 本文首先介绍了国内外永磁直驱风电系统总体的研究现状及发展趋势，对目前风电系统中变流器的控制方法进行了介绍和分析，并对无源控制的研究状况及其在电气传动领域中的应用进行了介绍和分析，接着对低速和中高速下的无速度传感器技术的研究现状分别进行了分析。 其次，在建立了系统在旋转坐标系下的数学模型的基础上，从能量成型的角度分析系统模型，结合端口受控耗散哈密顿（PCHD）无源控制理论及其方程，建立了永磁直驱风电系统的PCHD系统模型；并考虑到充分利用系统能量以及效率这一问题，确定了永磁电机的定子电流最优的矢量控制策略。在PCHD模型及能量利用率最优矢量控制的基础上，通过将PCHD控制与全局非奇异终端滑模（全局NTSM）相结合，提出并设计了一种PCHD全局高阶滑模控制器，实现了系统额定风速以下的最大风能追踪控制（MPPT），且具有比传统PI控制更快的响应速度和更强的鲁棒性；同时，将PCHD全局高阶滑模控制器应用到风电系统的混沌控制中，通过设计混沌情况下的PCHD全局高阶滑模控制器很好的实现了系统在混沌情况下的最大风能追踪控制。 然后，鉴于机械式传感器的检测精度受环境影响较大及抗干扰能力弱的缺点，分别针对风电系统无速度传感器控制方法进行了研究。对于低速情况，提出将脉动高频信号注入法（HFIM）与高阶滑模观测器相结合的方法，使低速下无速度传感器控制具有很好的动态品质和鲁棒性，并与设计的基于饱和凸极性的PCHD控制器相结合，得到了低速下无速度传感器的最大风能追踪控制系统；对于高速情况，提出了一种全局非奇异高阶终端滑模观测器，改进了传统滑模观测器需要相位补偿、抖振现象严重以及鲁棒性弱的缺点；通过切换函数控制，将低速与中高速控制方法相结合得到了风电系统全速下的无速度传感器控制。 最后，搭建了永磁直驱风电系统的风机模拟平台和系统的机侧控制部分，验证了PCHD最大风能追踪控制，并通过仿真研究验证了所设计的永磁直驱风电系统低速、中高速以及全速下无速度传感器控制方法的正确性和可行性。 【关键词】：永磁直驱风电系统 PCHD 全局NTSM 脉动HFIM 全局高阶滑模观测器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题的研究背景及意义9-10
• 1.2 永磁直驱风电系统发展现状及趋势10-14
• 1.2.1 国内外风力发电的发展现状10-11
• 1.2.2 永磁直驱风力发电系统基本结构及运行特性11-12
• 1.2.3 永磁直驱风电系统的拓扑结构12-14
• 1.3 风电系统控制策略的研究现状14-16
• 1.3.1 新型控制策略在风电系统中的应用15
• 1.3.2 无源控制理论技术的研究现状15-16
• 1.4 无速度传感器控制技术的研究现状16-17
• 1.4.1 低速下无速度传感器技术的研究现状16-17
• 1.4.2 中高速下无速度传感器技术的研究现状17
• 1.5 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 基于能量角度的永磁直驱风电系统模型的建立与分析19-30
• 2.0 引言19
• 2.1 永磁直驱风电系统的数学模型19-23
• 2.2 基于能量角度的系统模型分析与 PCHD 建模23-27
• 2.2.1 端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统23-25
• 2.2.2 基于能量角度的风电系统模型分析25-26
• 2.2.3 永磁直驱风力发电系统的 PCHD 模型26-27
• 2.3 基于能量利用率最优的矢量控制策略27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 永磁直驱风电系统的 PCHD 全局高阶滑模控制30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 风力机运行特性及最大风能追踪机理30-32
• 3.3 基于最大风能追踪的 PCHD 全局高阶滑模控制器设计32-36
• 3.3.1 电流内环 PCHD 控制器设计33-35
• 3.3.2 转速外环全局高阶滑模控制器设计35-36
• 3.4 永磁风电系统混沌状态下的 PCHD 全局高阶滑模控制36-40
• 3.4.1 永磁风电系统混沌特性分析36-37
• 3.4.2 混沌系统的 PCHD 模型37-38
• 3.4.3 PCHD 全局高阶滑模混沌控制器设计38-40
• 3.5 仿真研究40-44
• 3.5.1 最大风能追踪的 PCHD 全局滑模控制仿真分析40-43
• 3.5.2 混沌系统的 PCHD 全局滑模控制仿真分析43-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 永磁直驱风电系统无速度传感器控制研究45-60
• 4.1 引言45
• 4.2 基于 HFIM 的低速下无速度传感器控制45-52
• 4.2.1 表贴式永磁同步电机的饱和凸极性45-46
• 4.2.2 脉动高频电压注入法的检测机理46-47
• 4.2.3 基于脉动高频电压注入法的高阶滑模观测器设计47-50
• 4.2.4 基于脉动高频电压注入法的 PCHD 控制器设计50-52
• 4.3 中高速下全局高阶 NTSM 观测器的设计52-58
• 4.3.1 传统滑模观测器52-55
• 4.3.2 全局高阶 NTSM 观测器的结构与设计55-58
• 4.4 低速与中高速无速度传感器控制方法的结合58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 风电系统模拟实验与无速度传感器控制方法仿真分析60-70
• 5.1 引言60
• 5.2 永磁直驱风电系统模拟实验60-63
• 5.3 无速度传感器控制仿真分析63-69
• 5.3.1 低速下无速度传感器控制系统仿真分析63-66
• 5.3.2 中高速下全局高阶 NTSM 观测器仿真分析66-69
• 5.3.3 全速下无速度传感器控制仿真分析69
• 5.4 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-75
• 附录 175-76
• 附录 276-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果77-79
• 致谢79

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