风能转换系统的容错控制方法研究

【摘要】：能源是人类生存的基本要素、经济发展的物质基础。地球上的化石能源,经过数百万年的巨大消耗,最终将趋向枯竭,风能作为可再生能源之一,而且又是清洁能源,必然将成为未来的主要能源之一。随着风力发电在能源领域内的快速发展,其所需的技术也在随着市场的拓展不断发展,尤其是在最大风能捕获和风力发电系统的可靠性控制等问题上,获得了学者们的广泛关注。由于风能转换系统由风机与机械传动部分、发电机部分、并网部分等组成,考虑其复杂性及特殊性,当传感器、执行器以及其他部件,发生故障时,系统仍然能够正常运行。这时,风能转换系统的容错控制技术提出了新的要求。在此背景下,本文研究风能转换系统的容错控制方法,具体内容如下: 利用风速的多时间尺度的方法,并采用频率分离的原理,将风速分为低频分量和高频分量。针对风速的低频分量建立采用稳态控制的低频环模型,高频风速建立针对扰动控制的高频环模型,组成风能转换系统双频环模型。 基于风能转换系统的双频环模型,针对传感器部分失效故障下的双频环确定系统,低频环采用PI控制,使得输出能够稳定,为高频环的容错控制提供稳定的系统状态模型,高频环采用H∞容错控制,使得系统在传感器部分失效的情况下能够稳定的运行。 针对执行器部分失效故障下的参数不确定系统,低频环采用PI控制,高频环采用鲁棒容错控制,实现了系统在故障发生的时侯能及时实现容错控制。仿真结果表明了本文设计的鲁棒容错控制方法在风能转换系统中是有效的。 基于风能转换系统的双频环模型,针对未知故障设计故障观测器,并在高频环采用最优容错控制方法。当传动系统是刚性耦合,传感器和执行器发生故障时,高频环通过降维故障观测器对未知故障状态和系统状态进行观测,并采用最优容错控制,使得系统在发生故障时能够稳定运行。当传动系统是柔性耦合,传感器发生故障时,高频环利用滑模故障观测器对未知故障和系统状态进行检测,并采用最优容错控制,实现了故障发生时的稳定运行和风能的最大捕获。仿真结果表明了本文设计的最优容错控制方法在风能转换系统中是有效的。 【关键词】：风能转换系统 双频环 鲁棒性 容错控制 故障观测器
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP302.8
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 课题的背景及意义8-9
• 1.2 风能转换系统控制技术与策略9-12
• 1.2.1 控制目的9-10
• 1.2.2 控制技术10-11
• 1.2.3 控制策略11-12
• 1.3 容错控制方法12-16
• 1.3.1 被动容错控制13-15
• 1.3.2 主动容错控制15-16
• 1.3.3 风能转换系统中的容错控制16
• 1.4 论文所做的工作16-18
• 第二章 风能转换系统的数学建模18-28
• 2.1 概述18
• 2.2 风能转换系统机理模型18-22
• 2.2.1 风轮模型18-20
• 2.2.2 传动系统模型20-22
• 2.3 风能转换系统的双频模型22-26
• 2.3.1 风速的双频特性22-23
• 2.3.2 刚性耦合的风能转换系统的双频环模型23-25
• 2.3.3 柔性耦合的风能转换系统的双频环模型25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 风能转换系统的双频环鲁棒容错控制方法28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 风能转换系统的H∞容错控制28-34
• 3.2.1 传感器故障模型28
• 3.2.2 低频环PI 稳态优化控制28-30
• 3.2.3 高频环H∞容错控制30-32
• 3.2.4 仿真研究32-34
• 3.3 风能转换系统的鲁棒容错控制34-41
• 3.3.1 执行器故障模型34-35
• 3.3.2 低频PI 稳态优化控制35
• 3.3.3 高频鲁棒容错控制35-38
• 3.3.4 仿真研究38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 风能转换系统的双频环最优容错控制方法42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 刚性耦合的风能转换系统的最优容错控制42-49
• 4.2.1 控制指标42-43
• 4.2.2 最优容错控制器设计43-47
• 4.2.3 仿真研究47-49
• 4.3 柔性耦合的风能转换系统的最优容错控制49-54
• 4.3.1 控制指标49
• 4.3.2 最优容错控制器设计49-52
• 4.3.3 仿真研究52-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 结束语56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 致谢58-60
• 参考文献60-66
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文66

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