基于积分分离模糊PID的开关磁阻发电机最大风能跟踪控制研究

【摘要】：随着社会的进步，人类的对能源消耗的日益增加，使得环境严重受到污染，因此清洁的绿色能源—风能，越来越受到人们的关注，研究并利用风能发电，是新能源的发展趋势之一。在风力发电系统中，最关键的核心部分是风力发电机，它的将风轮机输出机械能转换为电能，对系统的风电转换效率起决定性作用。开关磁阻发电机(SRG)具有结构简单、转矩密度高、变速运行范围宽、低速性能好、控制灵活等优点；当SRG处于运行状态时，可以看作一个电流源，使得SRG容易并网发电。SRG本身独特的优势，非常适合变速直驱运行方式，并且是低速运行的风力发电系统，其发展前景已受到越来越多的能源学者关注。 本文在绪论部分主要对当前国内外的风力发电现状进行总结。分析了几种常见的风力发电机的结构特点，重点阐述开关磁阻发电机的研究现状和今后的发展趋势。 其次，本文分析开关磁阻发电机的工作原理、SRG的风电能量转换原理；推导出SRG的电感与转子位置角关系，以及SRG绕组的磁链、电流和电磁转矩的关系；根据SRG的两种工作方式，研究不同转速情况下SRG的三种控制方法。 第三，在传统励磁模式的基础上，提出基于Buck变换器的新型励磁模式，分析其功率变换器主电路拓扑结构，并建立新型励磁模式开关磁阻发电系统的仿真模型，进行相关仿真实验。 第四，在转速反馈控制的基础上，提出一种积分分离控制算法。在传统PID控制的基础上，结合积分分离算法，设计积分分离模糊PID控制器，克服传统PID的缺点，同时保留模糊PID鲁棒性好的优点。构建基于积分分离模糊PID的开关磁阻风力发电系统仿真模型，通过相关仿真实验验证该算法的有效性。 第五，在相同的仿真条件下，分别对传统PID、模糊PID以及积分分离模糊PID完成仿真实验。 最后构建基于两级式Boost DC/AC的小型开关磁阻风力发电系统，在开关磁阻发电机非线性数学模型的基础上，选取相应元件参数并研究逆变器的主电路拓扑结构和控制策略，实现并网运行。 【关键词】：开关磁阻发电机 风力发电 积分分离 模糊PID 最大风能跟踪
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 国内外风力发电现状9-10
• 1.2 几种常见的风力发电机10-13
• 1.3 开关磁阻风力发电系统13-14
• 1.3.1 开关磁阻风力发电机的研究现状和发展趋势13
• 1.3.2 开关磁阻风力发电机的优点13-14
• 1.4 论文的内容安排14-15
• 第2章 SRG 系统结构与工作特性15-26
• 2.1 SRG 系统结构15-16
• 2.2 SRG 运行原理16-19
• 2.2.1 SRG 基本工作原理16-17
• 2.2.2 SRG 机电能量转换17-19
• 2.3 SRG 线性模型19-22
• 2.4 SRG 数学模型22-23
• 2.5 SRG 控制方法23-25
• 2.5.1 角度位置控制24
• 2.5.2 脉宽调制控制24
• 2.5.3 电流斩波控制24-25
• 本章小结25-26
• 第3章 SRG 新型功率变换器主电路拓扑结构26-35
• 3.1 SRG 发电特性26-27
• 3.2 SRG 传统励磁模式27-28
• 3.3 SRG 新型励磁模式分析28-31
• 3.3.1 功率变换器主电路28-29
• 3.3.2 数学模型29-30
• 3.3.3 励磁特性30-31
• 3.4 SRG 仿真与实验31-34
• 3.4.1 新型励磁模式下的 SRG 发电系统仿真实现31-33
• 3.4.2 与传统励磁模式比较33-34
• 本章小结34-35
• 第4章 SRG 最大风能跟踪35-51
• 4.1 系统构成35-36
• 4.2 风力机工作特性36-37
• 4.3 SRG 风力发电系统在不同风速下的控制策略37-38
• 4.3.1 中低速运行控制策略37
• 4.3.2 高风速运行控制策略37-38
• 4.4 SRG 风力发电系统控制方案38-40
• 4.4.1 风速跟踪控制方案38-39
• 4.4.2 功率扰动控制方案39-40
• 4.4.3 转速反馈控制方案40
• 4.5 控制器设计40-44
• 4.5.1 内环40-41
• 4.5.2 外环41-44
• 4.6 SRG 最大风能跟踪44-46
• 4.6.1 系统整体控制方案优化44-45
• 4.6.2 新型积分分离模糊 PID 控制45-46
• 4.7 结果与分析46-50
• 4.7.1 SRG 非线性仿真模型建立46-48
• 4.7.2 SRG 仿真实验结果分析48
• 4.7.3 传统 PID 与模糊 PID 比较48-50
• 本章小结50-51
• 第5章 SRG 风力发电系统仿真实现51-56
• 5.1 SRG 风力发电系统整体仿真模型51-53
• 5.2 仿真实验结果分析53-55
• 本章小结55-56
• 第6章 基于两级式 DC/AC 的小型开关磁阻风电系统56-62
• 6.1 小型开关磁阻风力发电系统结构56-57
• 6.2 两级式逆变器的设计57-59
• 6.2.1 拓扑结构57-58
• 6.2.2 Boost 升压电路参数的选择58-59
• 6.3 仿真实现59-61
• 本章小结61-62
• 第7章 总结与展望62-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果67

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