《毕业设计-基于反馈线性化h无穷理论的风能转换系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计-基于反馈线性化h无穷理论的风能转换系统（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华北电力大学本科生毕业设计摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所必要解决的紧迫问题。风能作为一种可持续发展的新能源,不仅可以节约常规能源,而且减少环境污染,具有较好的经济效益和社会效益,越来越受到各国的重视。 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统,因此,控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键。风力发电机组工作在变化的风速中，扰动风速会导致风力发电机组的输出功率出现脉动，这会影响电网的稳定性，从而不利于风力发电机组的并网运行。为了解决这个实际问题，结合风力发电机组自身的特点,本论文主要研究内容：(1) 简要地概述了风力发电现状和鲁棒控制理论的
2、研究发展状况(2) 对风力发电机组进行了数学建模，推导出相应的非线性状态方程,并将它转换为仿射非线性形式。(3) 综合运用非线性精确线性化理论和基于优化指标的内模控制方法，设计了风力发电机的桨距角鲁棒控制律。(4) 利用MATLA进行仿真，仿真结果表明,该方法对风速扰动具有抑制效果,可以实现额定风速以上功率的平稳输出。关键词：风力发电机；输出功率；稳定性；并网运行；非线性；精确线性化；理论；桨距角；鲁棒控制律IAbstract Energy and environment are pressing problems that must be settled by human beings fo
3、r future survival and development. As an important kind of sustainable new energy, wind energy not merely can save the routine energy resources, but also may decrease pollution of the environment. Thus it can bring preferable economic benefits and community benefits. At present, wind power generatio
4、n has caused more and more concern by governments all around the world. Because of wind energy has lower density, instability and randomness, wind turbines have strong nonlinear multivariable with many uncertain factors and disturbances. Therefore control is crucial to the efficiency and reliability
5、 of wind turbines. When the wind turbines work during the variable wind speed, the disturbance of wind speed can cause the output power fluctuation of the wind turbines, and this can influence the stability of grid and the parallel operation of the wind turbines. In order to solve this actual proble
6、m, according to characters of the wind turbines, the primary contents of this thesis are as follows:(1) Brief summaries of the wind power generation and the development of robust control theory research are given.(2) The mathematical model of wind turbine is established. Nonlinear state equations ar
7、e derived and are transformed to affine nonlinear forms.(3) By comprehensive use of exact linearization theory of nonlinear system and internal model control method based onoptimization criterion, the pitch angle robust control law of wind turbine is designed.(4) The simulation is made by using MATL
8、AB, and the simulation shows that this method has good inhibitory effect to the wind turbulence and can realize the steady power output above the rate wind speed. Key words: wind turbine; output power; stability; parallel operation;nonlinear; exact linearization;theory; pitch angle; robust control l
9、aw目录摘要IAbstract0第一章 绪论21.1课题研究背景及意义21.2鲁棒控制理论国内外研究现状41.3 本论文的概述61.4 小结6第二章 风电机组非线性数学模型的建立72.1 风力发电机的类型72.2 风轮82.3 传动系统92.4 发电机102.5 风速模型102.6 风力发电机组整体机组模型112.7 小结12第三章 鲁棒控制理论133.1仿射非线性系统的理论133.2含扰动项的仿射非线性系统精确线性化算法173.3基于LMI的线性系统干扰抑制183.4小结20第四章 基于反馈线性化理论桨距角控制律的设计与仿真214.1基于反馈线性化理论桨距角控制律的设计214.2仿真实验25
10、4.3小结28总结与展望29附录30参考文献33致谢35第一章 绪论 1.1课题研究背景及意义能源是人类社会经济发展的基石。人类社会自工业革命以来，对能源的需求一直呈现单调上升的趋势。在短短的一百多年间，GDP增长了近100倍，同时年均化石能源消耗量也增长了约50倍。但是我们必须清醒地认识到，今天的现代文明是建立在对宝贵而稀少的化石能源的大量使用的基础上的。化石能源将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。根据石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限，大约为11801510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右将会宣告枯竭。天然气储备估计在13180015
11、2900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在5765年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。现有的能源系统不可持续，在能源安全、环境污染、气候变化等各个方面都面临巨大的挑战。能源的安全问题将会影响人类社会经济的可持续发展。环境污染和气候变化问题将会影响人类的生存。环境污染不仅影响人们的身体健康，还会导致地球上物种的减少，从而影响地球的生态平衡。全球气候变暖导致两极冰川的融化，海平面升高。如果这种趋势不能得到有效的遏制，那么不久的将来，部分沿海城市将会淹没，人类的生存空间将会受到威胁。为了解决化石能源所带来的一系列问题，近几十年来，人类开始
12、将目光投向分布广泛、储量巨大、清洁安全的可再生能源，并在开发、示范和推广等方面迈出了坚实的步伐。在主要的可再生能源中，风电是除水电外成本最接近商业利用价值的可再生能源，也是近年来全球发展最快的能源种类之一。风能被称为“蓝天白煤”，是一种取之不尽，用之不竭，而又不产生任何污染的可再生能源。1999年10月5日，欧洲风能协会在布鲁塞尔发表国际能源研究报告。报告称，风力发电到2020年可以提供世界电力需求的10%，在全球范围内可以减少排放100多亿吨的二氧化碳废气。据专家统计，全球风能资源约为每年200万亿千瓦，目前已经被开发的风能资源只是微不足道的一部分。据统计，仅1%的地面风力就能满足全世界对能
13、源的要求，可见其潜力是多么的巨大。近年来，欧洲的风力发电的发展非常讯速，装机容量已经达到了2000兆瓦，预计今年将会增加一倍。丹麦的风力发电已占全国发电总量的3，并打算近期内达到全国发电总量的10；德国已达600兆瓦以上。在日本，7的发电量来自风力。目前，美国已有1.7万台风力发电机在运转，主要分布在加利福利亚，发电量已经达到了1700兆瓦，预计2050年风力发电将会达到美国风力发电总量的10% 。就目前我国电力事业而言，火力发电仍然是我国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，正在大量排放CO2 和SO2 等污染气体，这对我国的环保极为不利。而发展风电，一方面有利于我国能源结构的优化调整；另一方面又
14、有利于减少污染气体的排放而缓解全球气候变暖的威胁。同时，又有利于减少能源进口方面的压力，对提高我国能源供应的多样性和安全性将作出积极的贡献。我国拥有辽阔的疆域，风能资源非常丰富，统计储量为16亿千瓦，大于我国水能资源的统计储量。我国是世界风电发展最快的国家之一。新华社于2011年11月13日宣布，我国的风力发电已经超过美国，拥有世界上最大的风力发电基础设施。我国可再生能源工业协会表示，2010年我国设置了16GW风力发电能力，比上年增长了62%。为此，总设置风力发电能力已经达到41.8GW，主要分布在新疆，内蒙古和东南沿海地区。目前，国内外的风力发电事业正在迅猛地发展，而风力发电是依靠风能来进
15、行发电的，但是风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风速的变化会导致风力发电机输出功率的变化，从而会影响电网的稳定性，不利于风力发电机组的并网运行。这样就制约了风力发电的发展，因此就需要对风力发电机进行变速变桨控制。随着人们对风力发电的研究的不断深入，科学家们提出了一些针对风能转换系统的控制方法，如智能控制。但是，这些控制方法很难在实际工程当中实现。目前，在实际工程当中使用最多的是PID控制，但是，它的控制效果有时候并不理想。控制理论既能在实际控制系统当中实现又具有良好的控制效果。本论文主要研究基于反馈线性化理论的风能转换系统的变速变桨控制，通过设计风力发电机的桨距角鲁棒控制律，使得风力
16、发电机的输出功率维持在额定功率附近。1.2 鲁棒控制理论国内外研究现状 在二十世纪五十年代中期，经典控制理论就已经发展得很成熟了。经典控制理论得主要分析方法是频率响应法，它的局限性是难以分析多输入多输出系统和系统内部的特征。在航天技术的推动下，经典控制理论开始向现代控制理论过渡，它的重要标志是把状态方程引入到控制理论当中，逐步形成了以LQG最优控制理论为代表的近似线性化控制理论。但是，这种控制方法过度地依赖数学模型，只能实现对数学模型的性能指标，无法保证对实际模型的控制性能指标。由于实际系统具有时变，非线性和不确定性等因素，而数学模型很难描述这些因素。为了解决这些问题，人们提出了诸如摄动分析，灵敏度分析等方法，鲁
