基于模型参考自适应控制的风力发电系统的仿真研究-张有松.docx

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1、广东工业大学 硕士学位论文 基于模型参考自适应控制的风力发电系统的仿真研究 姓名：张有松 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：杨俊华 20080501 众所周知能源已成为制约各国经济发展的战略问题，从能源发展战略来看人 类必须寻求一条可持续发展的能源道路，可持续能源发展的关键是可持续性。在 这种形势下风力发电成为解决能源问题的一个重要途径。本文以无刷双馈风力发 电机组为研究对象，结合国内外有关文献，探讨了无刷双馈电机及其风力发电机 组的控制策略：深刻提出了发展包括风能在内的可再生能源的紧迫性。 在分析无刷双馈风力发电机的基本结构、发展历史和工作原理的基础上，研 究了无刷双馈

2、电机自起动、异步运行、同步运行、双馈调速运行、发电机运行的 典型运行方式；基于坐标系，建立了无刷双馈电机的动态方程、电磁转矩方 程和机械运动方程；研究了无刷双馈电机的空间矢量控制和直接转矩控制等控制 策略。 研究了风力机风轮的静态模拟和动态模拟的模拟方法；对比分析了风力机模 拟系统中三种原动机 直流电动机、永磁同步电机和异步电动机的优缺点；提 出一种新的风力机风轮 动态模拟方法，构建了一个风力发电模拟系统，该系统由 上位机、模拟系统和发电系统三部分组成，进行了相关实验。 综合分析了最优控制、控制、滑动模控制和智能控制等现代控制方法在风 力发电机组控制中的应用；建立了一种新的同步坐标系下的无刷双

3、馈电机的解耦 数学模型；针对 PID控制的不足，提出基于自抗扰控制的风力发电机组功率解耦 控制策略，仿真结果验证了自抗扰控制策略的可行性和正确性。 根据模型参考自适应控制技术的基本结构和设计方法，在无刷双馈电机解耦 控制数学模型基础上，提出风力发电系统控制 LMFC-PI控制策略，进 行了 LMFC-PI控制策略的仿真研究。 关键词：无刷双馈风力发电机；模型参考自适应控制；风力机模拟；自抗扰控 制；LMFC-PI控制 Abstract It*s well known that energy has been a critical problem that restrict economic d

4、evelopment of all countries.Human must find a sustainable path for energy problem from a long tenn.The key of sustainable energy is sustainable.In this situation Wind Generation became a important path for solving energy prob!em*The thesis mainly research brushless doubly fed wind(BDFM) and brushles

5、s doubly fed wind generation (BDFWG) System.The paper unifies the domestic and overseas related regulations and the literature to discuss the control strategy of BDFM and BDFWG.Based on energy situation of all countries in the world,We deeply know the importance of renewable energy including wind en

6、ergy. Based on analysising the characteristic of structure,the principle and development history of BDFM. We researched four operations about BDFM. asynchronous mode of operationtsynchronous modes of operation?double-fed modes of operation and generator mode of Operation-Based on d-q coordinates we

7、derivated the BDFMs dynamic equationfelectrical torque equation and mechanical movement equation.At last we researched control strategies about BDFM Field Orientation Control and Direct Torque Control Researched two simulations about wind turbine rotor-dynamic simulation and static simulation And di

8、scussed three prime motors in the simulation system-DC Motor,Permanent Magnet Synchronous Motor and Asynchronous MotonDeveloped a novel wind turbine simulation and designed a whoLe wind power generator system with BDFM including upper machine， simulator system and generator system,and did some exper

9、iment. Comprehensive analysised the modem control theroy application in BDFWG5mainly including four modem control theory-optimal Control?H control,sliding mode control and intelligent control.We developed a novel mathetic model of decoupled power.Because of disadvantage of PID controUwe designed dec

10、oupled power control of wind gneration based on auto disturbance rejection control(ADRC).The correct and feasibility of result was identified Based on the basic structure and design of Model ReferenceAdaptive Control and mathetic model of decoupled power Lindear Model Following Control (LMFC)-PI con

11、trol was designed. We analysised LMFC-PI controller by computer simulation. Key world: the Brushless Doubly-Fed Wind Generation, Model Reference Adaptive ControUWind turbine simulation, Auto Disturbance Rejection Control?LMFC-PI 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中

12、特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 2008年 4月 第 一 章 绪 论 u能源的严峻形势和机遇 自古以来，人类就为改善自身的生存条件、促进社会经济的发展而不停的奋 斗。在这一过程中，能源一直扮演着极其重要的角色。从世界社会经济发展的历 史和现状来看，能源问题己经成为社会经济

13、发展中一个具有战略意义的问题。能 源的消耗水平己经成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志。 随着现代社会生产力的发展和人民生活水平的提高，商品能源消耗的增长速度大 大超过了人口增长的速度 u。 资料显示，人类单位时间所消耗的能量符合指数函数，如图 1-1所示： Fig.1.1 Human consumption of energy P = P0ea, ( 1 .1) 其中卜某时刻 ;P现时刻单位时间内的耗能量； P 某时刻单位时间的耗 能量； a 年增长率； 根据积分，我们容易得到某一段时间内所消耗的能量总量为 =汾，且尸 =此 /冶 (1.2) 表示从 1时间到 2时间所消耗的

14、能量总量，如图 1-2所示： 1 根据上面两个公式我们还可以得到，从现在到未来某一段时间所消耗的能源 总 量 可 以 用 下 式 表 示 马 所 消 耗 的 能 量 如 图 1 - 3 所 示 的 阴 影 n 口 部分表示 : 4 P 图 1-2单位时间人类消耗能量图 Fig.1-2 Human consumption of energy in unit time 4 P Fig.l-3未来所要消耗能量图 Fig. 1-3 Human consumption of energy in furture 令 t=ln2/a0.7/a,可积分得到 Ed=。 同时我们还可以得出自古至今我们消 a 耗的

15、能源总量为 = 汾 =1很显然 Ed=Ebaet，也就是我们过去消耗的能源 -eo 社 总量等于从现在到将来 td(其中 td=bi2/a)时间长度消耗的能源，假设人类每年消耗 能源的数量以每年 0.07的速度递增，即 a=0.07/year,可以得到： td=0.7/(0.07/y) =10yeai 这里表达了两个观点： (1) 每十年人类消耗的能源总量将翻一倍； (2) 未来十年能源消耗的总量等于自古至今人类消耗的能源总量； 从此可以看出，能源危机并不是危言耸听，而是我们确确实实面临的问题， 而且会越来越严重。今后十年的能源消耗量会越来越快，照此推算最后一滴石油 将在50年内耗去。天然气将

16、在 60年内用光，煤炭也只能用 220年。 能源已成为制约各国经济发展的瓶颈，从能源发展战略来看，人类必须寻求 一条可持续发展的能源道路。可持续能源发展的目的是发展，关键是可持续性。 在这种形势下风力发电便成为解决能源问题的一个重要途径。风能是地球表面空 气移动时产生的动能，由太阳辐射热引起。太阳照射到地球表面，地球表面各处 受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳 能中虽然只有大约转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为 2.74xl09MW， 其中可利用的风能约为 2xl07MW， 比地球上可开发利用的水能总 量还要大 10倍。新的电力电子技术的进步

17、及现代控制理论的发展，使得新能源发 电技术在世界范围内有了长足的进步，尤其是风力发电，在技术上和经济上都已 经具有了同燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。 1.2风力发电发展概况及应用前景 1.2.1国外风力发电概况 近 20年，发达国家在风能的开发利用方面己取得了惊人的成绩。 20世纪 80 年代问世的现代并网风力发电机组，只经过几年的发展便迅速实现了商品化、产 业化，到 90年代中期已形成了一个规模巨大的风力机工业。 2001年 10月，全世 界风力发电装机容量突破了 20000MW,其中当然新增容量达到 5000MW。 2007 年世界风力发电机装机容量为 938GW， 必 2006年新增

18、 1.97GW。 专家们 .预测 .，到 2010年，全世界风力发电机组装机容量将至少突破 100GW。 德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国在风力发电技 术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用了空气动力学、新 材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成 果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统 *发展了变桨矩控制及失 速型控制的风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了 变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及 多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的

19、效率及 可靠性。在此基础上，许多国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并形成了 一整套有关风力发电场的规划方法、运行管理与维护方式、投融资方式、国家扶 持的优惠政策及规范、法规等。此外， 值得注意的是风电机组的技术正沿着增大 单机容量、减轻每单位容量的自重。 在欧洲，因为风能资源丰富的陆地面积有限，过多安装巨大的风电机组会影 响自然景观，而海岸线附近的海域风能资源丰富，面积辽阔，适合更大规模开发 风电。20世纪 90年代中期，丹麦在海上建立了两个示范风电场并获得成功，表 明技术上是可行的。 2000年开始建设商业化海上风电场的示范工程，每个风电场 的规模为 4万 kW到十几万 kW.,预计发电

20、成本接近陆上风电。随着海上风电场 的建设，需要单机容量更大的机组 2.5MW的机组已经投入运行，正在研制 3.5MW 的巨型机组 4。 1.2.2我国风力发电概况 我国幅员辽阔，风能资源丰富。根据气象部门的资料，可开发的陆地风能资 源10m高层大约为 253GW， 可利用的海洋风能资源大约为 750GW。 东南沿海一 带和附近的岛屿以及内蒙古、新疆、甘肃等地区都蕴藏着丰富的风能资源，年平 均风速达 6m/s，以上的内陆地区约占全国总面积的 1%,仅次于美国和俄罗斯， 居世界第 3位。我国风能资源开发利用较早，但早期主要是以分散、小规模试验 和示范形式，规模化风力发电场的建设始于上世纪 90年代

21、。 1976年我国第一台 国产 18kw风 力发电机组并人浙江省泅礁岛电网试运行， 1983年山东荣城引进 3 台 Vestas.55k_w风力发电 .机组， 1986年新疆达扳城安蔌 1台 Micon.l00kw风力发 电机组， 1989年新疆达板城安装 13台 Bonus.l50kw风力发电机组，内蒙古朱日 和安装 5台美国 Windpower.lOOkw风力发电机组 2007年我国总的装机容量为 5.912MW， 排名世界第五。 目前我国风力发电的特点是：在风力资源丰富或者较丰富的边远无电、缺电 地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统 (包括风力 /柴油联合发电和风 /光联 合发电等

22、)为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电；在风力 资源丰富、电网通达的地区，风力发电在作为一种清洁的可再生能源，补充和逐 步替代部分常能源，缓解电力供应紧张的矛盾，提高当地的环境质量，所以应以 发展大型风电场为主。我国三北地区 (西北、华北北部、东北 )及东南沿海地区有 丰富的风能资源，而这些地区又存在着能源短缺及环境污染的问题，因此通过利 用风力发电来改变能源结构并改 善环境，不失为在能源开发领域中重要策略之一。 我国政府为了推动并网风电的商业化发展，采取了大量的措施给与政策性的 支持。可以预计，我国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。中国经济 持续发展，对能源的需求增

23、长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突 出，风电随着技术的发展和批量的増大，成本将会继续下降，必然成为重要的清 洁能源 l5L 1.2.3风力发电应用前景 风能和太阳能被看作是最有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源 的高效利用，风力发电和太阳能发电技术受到世界各国的高度重视。近 10年来， 现代风力发电技术和太阳能发电技术日臻完善，成本也日趋下降，市场不断扩大， 在一些地区已成为对常规能源具有一定竞争力的新能源发电方式。特别是在边远 的没有电网的地方，正在发挥着其独特的作用。当前，以煤炭、石油作为主要燃 料的国家，已面临严重的环境污染，加上化石燃料有限储量减少的双重危机曰益 加

24、深，开发利用新能源已经成为世界能源。可持续发展战略的重要组成部分，而 风能又是新能源中具有极大发电潜力的一个领域。风能作为一种清洁的可再生能 源，从 70年代中期开始受到世界各国的重视，由于风力发电比其他可再生能源 (水 能除外 )发电在经济上更具有竞争优势，因而发展迅速。近十多年来，现代风力发 电技术日臻成熟，市场逐渐扩大，已成为对常规能源最具有竞争力的新能源发电 方式 31。 1.3课题来源及其研究意义 本论文研究课题来源于导师杨俊华教授承担的广东省 十五 科技重大专项研 究项目： 风力一太阳能混合发电系统 （ A1050401);国家自然科学基金重点项 目： 分散式风力一太阳能发电系统的混合控制研究 (60534040) 。本文研究内容