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基于拟连续高阶滑模的风力发电机组控制器设计

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外风力发电发展现状

1.3 风力发电机组控制技术的发展

1.4课题研究的主要内容

1.5 论文的结构安排

第二章 风电机组基本控制理论和方法

2.1 变速变桨控制理论

2.2 滑模控制基本理论与方法

2.3 本章小结

第三章 风力发电机组的动态建模

3.1 风速模型

3.2 风力机模型

3.3 传动系统模型

3.4 发电机模型

3.5 变桨执行机构模型

3.6 本章小结

第四章 基于拟连续高阶滑模的变速控制

4.1 被控对象模型分析

4.2 变速控制分析

4.3 拟连续二阶滑模转矩控制器设计

4.4 拟连续三阶滑模转矩控制器设计

4.5 仿真验证与鲁棒性分析

4.6 本章小结

第五章 基于拟连续高阶滑模的变桨控制

5.1 被控对象模型分析

5.2 变桨控制分析

5.3 拟连续高阶滑模桨距控制器设计

5.4 仿真验证与鲁棒性分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢

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摘要

人口增长和经济的快速发展,以及全球气候的剧烈变化,使得各个国家和地区都开始大力发展可再生能源发电。其中,风力发电成为增长最快的电源。风力发电机组非线性、不确定、强耦合、多干扰等特点,使得控制器设计成为一项极具挑战的研究课题。由于拟连续高阶滑模控制对外界干扰、未建模动态和参数不确定具有强鲁棒性,控制律设计简单,动态响应快,且能够有效削弱抖振,也打破了传统滑模控制相对阶的限制,所以,本课题采用拟连续高阶滑模控制方法进行风力发电机组控制器设计。
  首先,对风力发电机组控制系统的各个模块进行建模,分别建立了风速模型、风力机模型、发电机模型、传动系统模型和变桨执行机构模型,并以此为基础搭建了风力发电机组控制系统的仿真平台。以额定风速为划分点,将风力发电机组的控制策略分别变速控制和变桨控制,并分别针对变速控制和变桨控制分析了具体的控制目标和控制策略。
  其次,当实际风速低于额定风速时,采用拟连续高阶滑模控制方法对风力发电机组进行变速控制。首先,针对两质量块风机传动系统模型设计二阶转矩控制器,为了进一步减小抖振,在二阶控制器的基础上继续求导,实现系统升阶,设计三阶动态转矩控制器。并通过理论推导证明了两种控制器的稳定性。最后通过仿真验证得出,本课题所设计的拟连续二阶和三阶滑模转矩控制器能够通过控制发电机转矩调节风轮转速,实现功率输出最大化的控制目标。控制器对外界干扰和参数不确定具有良好的鲁棒性,且三阶控制器能够在二阶控制器的基础上有效削弱抖振。
  最后,当实际风速超过额定风速时,为了防止风机受到损坏,采用拟连续高阶滑模控制方法对风力发电机组进行变桨控制。首先将变桨控制系统的被控对象模型进行精确反馈线性化,然后针对线性化后的模型设计三阶桨距控制器,并证明其稳定性。最后通过仿真验证得出,本课题设计的拟连续三阶滑模桨距控制器能够根据风速的变化调整桨距角,达到维持输出功率在额定值的控制目标。且控制器能够在保证系统鲁棒性的同时,有效抑制抖振。

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