风力发电系统的分数阶控制技术研究

论文摘要

随着工业技术和科学的发展,对控制的精确性与灵活性的要求越来越高。分数阶控制理论来源于分数阶微积分理论在控制领域中的应用,依据此理论而发展出多种具有新形式的控制器,分数阶PIλDμ控制器是其中之一。随着风电机组单机容量以及风电场规模的增大,风电对电力系统的影响越来越大,对风电控制技术的优化以及研究新型控制策略的应用始终是重要的课题。本文基于分数阶控制理论,将分数阶控制策略应用于风力发电控制技术中,对风力发电系统的分数阶控制技术进行了深入的研究,通过合理设计各项控制参数,以改善控制性能和提高系统鲁棒性,主要工作为:为了解决分数阶PIλDμ控制器整定参数多,设计复杂的问题,研究了基于智能优化算法的分数阶控制器设计,详细给出了采用遗传算法和细菌觅食算法设计分数阶控制器的步骤。针对一个实际的调速系统算例,采用细菌觅食算法设计了分数阶控制器,仿真结果表明采用分数阶控制策略可以有效提高系统控制性能,相比传统的整数阶控制策略具有更好的控制效果,对系统模型参数变化不敏感,鲁棒性效果更好。对基于永磁同步发电机的风力发电系统引入分数阶控制理论,以最大风能追踪为控制目标,设计了基于分数阶PIλ控制策略的控制方案,采用遗传算法对分数阶PIλ控制器的参数进行优化整定。仿真结果表明,在额定风速以下风力机能够有效地保持最佳叶尖速比运行,所提出的分数阶PIλ控制方案具有更好的控制效果。以变桨距风力发电系统的桨距控制技术为研究对象,针对变桨距风力发电系统的整体线性化模型设计了分数阶PIλDμ控制器,采用细菌觅食算法对分数阶PIλDμ控制器的五个控制参数进行优化整定,仿真表明分数阶PIλDμ控制策略的应用不仅很好地达到控制目标,而且系统控制性能得到改善。针对STATCOM的双闭环控制系统基于遗传算法设计了分数阶PIλ控制器,仿真验证采用该控制策略使STATCOM控制系统性能得到有效提高。针对含STATCOM的风电场无功补偿电压控制,分别在是否加装STATCOM装置及系统故障条件下对系统进行仿真研究,仿真结果表明,STATCOM装置能够有效地为系统提供无功支撑,抑制由于风速的随机性和波动性导致的风电场电压波动,提高风电场的安全稳定运行能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 分数阶微积分理论研究现状
• 1.2.1 分数阶微积分理论的发展
• 1.2.2 分数阶控制器设计
• 1.3 风力发电及其控制技术的研究现状
• 1.3.1 最大风能追踪控制技术
• 1.3.2 桨距控制技术
• 1.3.3 基于STATCOM 的风电场无功控制
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 分数阶系统描述及方法分析
• 2.1 引言
• 2.2 分数阶系统描述
• 2.3 分数阶有理化近似方法分析
• 2.4 分数阶控制器研究
• 2.4.1 分数阶控制器的数学描述
• 2.4.2 分数阶控制器模块化处理
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于智能优化算法的分数阶控制器设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于遗传算法的分数阶控制器设计
• 3.3 细菌觅食优化算法的基本原理
• 3.4 基于细菌觅食优化算法的分数阶控制器设计
• 3.5 分数阶控制器设计算例分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于分数阶的最大风能追踪控制与桨距控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于分数阶的最大风能追踪控制研究
• 4.2.1 PMSG 风力发电系统线性化模型
• 4.2.2 基于遗传算法的PMSG 风力发电系统分数阶控制器设计
• 4.2.3 最大风能追踪分数阶控制仿真研究
• 4.3 基于分数阶的风轮变桨距控制研究
• 4.3.1 变桨距控制系统数学模型
• 4.3.2 基于菌群觅食算法的变桨距分数阶控制器设计
• 4.3.3 变桨距分数阶控制仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 用于风电场无功补偿的STATCOM 分数阶控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 STATCOM 解耦控制策略
• 5.3 基于遗传算法的STATCOM 双闭环分数阶控制器设计研究
• 5.4 含STATCOM 的风电场无功电压控制仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢