永磁直驅風電系統(tǒng)無源無速度傳感器控制方法研究

【摘要】：目前，風力發(fā)電作為一種清潔型可再生能源得到了快速發(fā)展，其中永磁直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)因其具有很好的發(fā)展?jié)摿Χ艿搅藦V泛關注，本文針對永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)機側的控制方法進行研究，研究的主要內(nèi)容是機側的無源控制和無速度傳感器控制方法。 本文首先介紹了國內(nèi)外永磁直驅風電系統(tǒng)總體的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對目前風電系統(tǒng)中變流器的控制方法進行了介紹和分析，并對無源控制的研究狀況及其在電氣傳動領域中的應用進行了介紹和分析，接著對低速和中高速下的無速度傳感器技術的研究現(xiàn)狀分別進行了分析。 其次，在建立了系統(tǒng)在旋轉坐標系下的數(shù)學模型的基礎上，從能量成型的角度分析系統(tǒng)模型，結合端口受控耗散哈密頓（PCHD）無源控制理論及其方程，建立了永磁直驅風電系統(tǒng)的PCHD系統(tǒng)模型；并考慮到充分利用系統(tǒng)能量以及效率這一問題，確定了永磁電機的定子電流最優(yōu)的矢量控制策略。在PCHD模型及能量利用率最優(yōu)矢量控制的基礎上，通過將PCHD控制與全局非奇異終端滑模（全局NTSM）相結合，提出并設計了一種PCHD全局高階滑?？刂破?，實現(xiàn)了系統(tǒng)額定風速以下的最大風能追蹤控制（MPPT），且具有比傳統(tǒng)PI控制更快的響應速度和更強的魯棒性；同時，將PCHD全局高階滑?？刂破鲬玫斤L電系統(tǒng)的混沌控制中，通過設計混沌情況下的PCHD全局高階滑?？刂破骱芎玫膶崿F(xiàn)了系統(tǒng)在混沌情況下的最大風能追蹤控制。 然后，鑒于機械式傳感器的檢測精度受環(huán)境影響較大及抗干擾能力弱的缺點，分別針對風電系統(tǒng)無速度傳感器控制方法進行了研究。對于低速情況，提出將脈動高頻信號注入法（HFIM）與高階滑模觀測器相結合的方法，使低速下無速度傳感器控制具有很好的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性，并與設計的基于飽和凸極性的PCHD控制器相結合，得到了低速下無速度傳感器的最大風能追蹤控制系統(tǒng)；對于高速情況，提出了一種全局非奇異高階終端滑模觀測器，改進了傳統(tǒng)滑模觀測器需要相位補償、抖振現(xiàn)象嚴重以及魯棒性弱的缺點；通過切換函數(shù)控制，將低速與中高速控制方法相結合得到了風電系統(tǒng)全速下的無速度傳感器控制。 最后，搭建了永磁直驅風電系統(tǒng)的風機模擬平臺和系統(tǒng)的機側控制部分，驗證了PCHD最大風能追蹤控制，并通過仿真研究驗證了所設計的永磁直驅風電系統(tǒng)低速、中高速以及全速下無速度傳感器控制方法的正確性和可行性。 【關鍵詞】：永磁直驅風電系統(tǒng) PCHD 全局NTSM 脈動HFIM 全局高階滑模觀測器
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 課題的研究背景及意義9-10
• 1.2 永磁直驅風電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢10-14
• 1.2.1 國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)基本結構及運行特性11-12
• 1.2.3 永磁直驅風電系統(tǒng)的拓撲結構12-14
• 1.3 風電系統(tǒng)控制策略的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3.1 新型控制策略在風電系統(tǒng)中的應用15
• 1.3.2 無源控制理論技術的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4 無速度傳感器控制技術的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4.1 低速下無速度傳感器技術的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4.2 中高速下無速度傳感器技術的研究現(xiàn)狀17
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容17-19
• 第2章 基于能量角度的永磁直驅風電系統(tǒng)模型的建立與分析19-30
• 2.0 引言19
• 2.1 永磁直驅風電系統(tǒng)的數(shù)學模型19-23
• 2.2 基于能量角度的系統(tǒng)模型分析與 PCHD 建模23-27
• 2.2.1 端口受控耗散哈密頓（PCHD）系統(tǒng)23-25
• 2.2.2 基于能量角度的風電系統(tǒng)模型分析25-26
• 2.2.3 永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的 PCHD 模型26-27
• 2.3 基于能量利用率最優(yōu)的矢量控制策略27-29
• 2.4 本章小結29-30
• 第3章 永磁直驅風電系統(tǒng)的 PCHD 全局高階滑?？刂?/span>30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 風力機運行特性及最大風能追蹤機理30-32
• 3.3 基于最大風能追蹤的 PCHD 全局高階滑模控制器設計32-36
• 3.3.1 電流內(nèi)環(huán) PCHD 控制器設計33-35
• 3.3.2 轉速外環(huán)全局高階滑?？刂破髟O計35-36
• 3.4 永磁風電系統(tǒng)混沌狀態(tài)下的 PCHD 全局高階滑模控制36-40
• 3.4.1 永磁風電系統(tǒng)混沌特性分析36-37
• 3.4.2 混沌系統(tǒng)的 PCHD 模型37-38
• 3.4.3 PCHD 全局高階滑?；煦缈刂破髟O計38-40
• 3.5 仿真研究40-44
• 3.5.1 最大風能追蹤的 PCHD 全局滑模控制仿真分析40-43
• 3.5.2 混沌系統(tǒng)的 PCHD 全局滑?？刂品抡娣治?/span>43-44
• 3.6 本章小結44-45
• 第4章 永磁直驅風電系統(tǒng)無速度傳感器控制研究45-60
• 4.1 引言45
• 4.2 基于 HFIM 的低速下無速度傳感器控制45-52
• 4.2.1 表貼式永磁同步電機的飽和凸極性45-46
• 4.2.2 脈動高頻電壓注入法的檢測機理46-47
• 4.2.3 基于脈動高頻電壓注入法的高階滑模觀測器設計47-50
• 4.2.4 基于脈動高頻電壓注入法的 PCHD 控制器設計50-52
• 4.3 中高速下全局高階 NTSM 觀測器的設計52-58
• 4.3.1 傳統(tǒng)滑模觀測器52-55
• 4.3.2 全局高階 NTSM 觀測器的結構與設計55-58
• 4.4 低速與中高速無速度傳感器控制方法的結合58-59
• 4.5 本章小結59-60
• 第5章 風電系統(tǒng)模擬實驗與無速度傳感器控制方法仿真分析60-70
• 5.1 引言60
• 5.2 永磁直驅風電系統(tǒng)模擬實驗60-63
• 5.3 無速度傳感器控制仿真分析63-69
• 5.3.1 低速下無速度傳感器控制系統(tǒng)仿真分析63-66
• 5.3.2 中高速下全局高階 NTSM 觀測器仿真分析66-69
• 5.3.3 全速下無速度傳感器控制仿真分析69
• 5.4 本章小結69-70
• 結論70-71
• 參考文獻71-75
• 附錄 175-76
• 附錄 276-77
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果77-79
• 致謝79

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