变速恒频双馈风力发电机组二阶滑模控制策略的研究

摘要

伴随新能源迅速发展，变速恒频双馈风力发电机组逐渐成为主流机型之一。如何最大化双馈风电机组的功率输出、提高发电效率、增强抵抗电网故障并不间断运行的能力，已成为机组控制策略的重要研究方向。由于风速的随机性和双馈风电机组非线性、不确定性、多干扰等因素，使其控制器的设计较为复杂。本课题基于滑模控制对外部干扰、参数不确定等具有强鲁棒性的特点，设计了双馈风电机组的二阶滑模控制器。 首先，基于MATLAB建立了双馈风电机组模型，包括风力机、传动机构和双馈发电机（Doubly Fed Induction Generator,DFIG），分析了滑模控制基本理论及其对双馈风电机组控制的适用性，为双馈风电机组控制器设计及其仿真验证建立了基础。 其次，对DFIG的最大功率追踪控制进行研究，设计了双馈风电机组最大功率追踪二阶滑模控制器。基于定子磁链定向理论，简化DFIG的状态空间模型；根据机组功率输出的最大化控制目标，对二阶滑模控制器进行设计，选取了仅需滑模面信息的Super-Twisting算法进行控制律设计，并对控制器的稳定性进行了证明。 然后，研究了低电压穿越的控制策略，设计了双馈风电机组低电压穿越二阶滑模控制器。根据风电场对双馈风电机组低电压穿越的要求，分析了DFIG在电网电压跌落情形下的电磁暂态过程，基于Super-Twisting算法设计了低电压穿越二阶滑模控制器；并推导证明了控制系统状态有限时间内收敛及系统的稳定性。 最后，对双馈风电机组最大功率追踪控制器和低电压穿越控制器进行仿真验证，在组合风速模型下，验证了最大功率二阶滑模控制器的有效性；并在深度跌落故障情形下，验证了低电压穿越二阶滑模控制器的有效性。 本课题基于二阶滑模控制理论实现了双馈风力发电机组最大功率追踪控制和低电压穿越控制，为风力发电机组主控系统设计提供了新思路。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国内外风力发电行业发展现状

1.2.2 变速恒频风力发电技术发展现状

1.3 双馈风电机组最大功率追踪技术研究现状

1.4 双馈风电机组低电压穿越技术研究现状

1.5 课题研究的主要内容

第二章 变速恒频双馈风力发电机组建模与滑模控制基本理论

2.1 双馈风电机组建模

2.1.1 风力机

2.1.2 传动机构

2.1.3 双馈发电机

2.2 滑模控制基本理论与方法

2.2.1 滑模控制基本概念

2.2.2 传统滑模控制

2.2.3 二阶滑模控制

2.3 本章小结

第三章 双馈风力发电机组最大功率追踪的二阶滑模控制策略

3.1 双馈发电机运行特性分析

3.2 双馈风电机组运行状态分析

3.3 最大功率追踪控制

3.3.1 控制策略分析

3.3.2 被控对象模型分析

3.3.3 最大功率追踪二阶滑模控制器设计

3.3.4 稳定性证明

3.4 本章小结

第四章 双馈风力发电机组低电压穿越的二阶滑模控制策略

4.1 双馈发电机的电磁暂态过程分析及电压跌落表征

4.1.1 跌落故障中电磁暂态过程分析

4.1.2 电网电压跌落表征

4.2 低电压穿越控制

4.2.1 控制策略分析

4.2.2 被控对象模型分析

4.2.3 低电压穿越二阶滑模控制器设计

4.2.4 稳定性证明

4.3 本章小结

第五章 仿真验证

5.1 风速模型

5.2 最大功率追踪仿真

5.3 低电压穿越仿真

5.4 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