基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

直驱式电液伺服转叶舵机定量反馈理论鲁棒控制

针对直驱式电液伺服转叶舵机转动惯量大、时变不确定、水动力负载复杂的特点,提出了一种带有负载力矩观测补偿器的定量反馈理论鲁棒控制器的设计方案。在不考虑负载波动的前提下,解决了直驱式电液伺服转叶舵机由于系统的不确定性和存在干扰而不能准确控制的问题,有效降低了控制器设计的难度。同时,引入负载力矩动态观测补偿方法,对负载力矩进行动态实时补偿,有效提高了控制器的刚度和响应速度。试验结果表明:该控制器能有效地提高直驱式电液伺服转叶舵机的控制精度和稳态误差,具有良好的动态性能和鲁棒性。

阵列式直驱波浪发电系统集中式模型预测控制方法

将多个波浪能发电装置组成阵列是大规模开发波浪能的发展趋势。对于阵列式直驱波浪发电系统,采取合适的能量优化控制方法能显著提升波浪能捕获效率。然而,由于阵列式系统存在浮子间的相互辐射作用,已有的集中式模型预测控制(MPC)面临在线计算量大、难以工程应用的困难,而将各浮子视作独立系统的分布式MPC则存在能量捕获效率的损失。对此,文中提出一种改进的集中式MPC方法,将优化区间与约束区间进行解耦,可在保障系统整体能量捕获效率的同时,大幅减少计算开销,提升系统的实时控制性能。通过仿真研究分析了约束区间解耦方法的性能,并在多种波浪工况条件下验证了所提出方法的有效性。

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

海洋波浪能是一种新型清洁能源,为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率,针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题,提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法,根据运行状态实时调整趋近律参数,在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波,减小跟踪误差,提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置,建立系统动力学模型,并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频,设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线;在此基础上,将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比,结果表明:模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

基于PLC软冗余的直驱式风机能量输出控制方法

为提升能量输出控制精度,提出基于PLC软冗余的直驱式风机能量输出控制方法。根据直驱式风机系统内部结构,构建直驱式风机的数学模型,以直驱式风机的运行状态为基础,在基本风、阵风、渐变风和随机噪声风4种风速变化情况下,对直驱式风机空气动力学分析,根据直驱式风机在不同风速下的动态特性,将PLC软冗余系统与直驱式风机无功控制策略相结合,以风速变化及储能系统容量的限制作为约束条件,实现直驱式风机实施能量输出控制。实验结果表明,所提方法的直驱式风机系统频率偏差最高为0.025 Hz,验证了该方法的控制精度强、可靠性高。

基于滑模控制的直驱式波浪发电系统MPPT控制策略

为提高直驱型波浪发电系统的功率捕获和转换能力,通过分析系统运动方程,建立其数学模型。依据波浪入射频率和幅值,构造系统最优功率输出条件,计算q轴电流参考值,应用滑模变结构控制算法实时跟踪参考电流。针对发电系统中含有的未知干扰,引入鲁棒控制,使发电机状态亦能保持实时跟踪最优参考值。仿真结果表明,不论是否有干扰存在,所提控制方案都能实现最优参考电流跟踪和最大功率捕获跟踪,系统鲁棒性提高。

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略

以永磁体励磁多极直驱式同步风力发电机组(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generators,D-PMSG)为对象,建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型,提出了风力机桨距角和发电机转速的控制策略:桨距角的控制策略中以风速和发电机功率为输入信号,采用比例–积分控制很好地反映了不同风速对桨距角控制的不同要求;发电机转速控制策略中采用dq同步旋转坐标下的矢量控制方法,用d轴电流控制无功功率,用q轴电流控制转速,既实现了机组的解耦控制,又充分利用了发电机容量。运用Matlab/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真,结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。

直驱式永磁同步风力发电机双模功率控制策略的仿真研究

在分析变桨距执行机构动作滞后及变桨速度限制带来的功率波动问题基础上,针对直驱式永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)系统,提出全风况下结合变桨距控制的双模功率控制策略。低于额定风速时,采用基于转速反馈的最大风能跟踪控制;高于额定风速时,根据发电机额定功率和即时转速设定参考电磁转矩,将发电机输出有功功率限定在额定值附近;并给出了双模控制系统中2种控制模式之间平滑切换(smooths witching)的具体规则。对双模功率控制策略下的一台2MW直驱式PMSG系统进行仿真研究,验证了该控制策略的正确性和有效性。相对于采用传统控制策略的直驱式PMSG系统,该控制策略能够在额定风速以上获得更为平稳的有功功率输出。

基于反馈线性化原理的直驱风力发电机组控制系统设计

提出一种基于反馈线性化原理的控制策略来设计直驱型风力发电机组(D-DPMSG)控制系统。为了使系统稳定运行在最大功率区域和快速追踪最大功率特性曲线,建立了系统各部分的动态模型并推导出了该非线性控制策略。在随机风速扰动下,相对于传统的PID控制策略,基于反馈线性化原理设计的非线性控制器使系统的转速响应超调更小,响应速度和恢复速度更快,效果更好。最后,大量仿真证明了该控制策略在追踪最优功率曲线的有效性。

永磁直驱式风机采用混合直流并网的控制策略

提出一种永磁直驱式风机经混合直流系统并网的拓扑,直流系统整流侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),逆变侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)。该系统结合了MMC和LCC各自的优点,既可以为风电场无源系统提供电压支撑,又可以降低投资成本和运行损耗。MMC可以通过子模块投切瞬间改变直流侧级联子模块输出的总电压。基于此项特性,提出整流侧MMC控制直流电流的方法,将MMC的控制维度从交流侧拓展至直流侧。仿真结果表明,在逆变侧主网发生远区故障时,整流侧MMC可以抑制直流电流增长,降低换相失败发生的机会;在逆变侧发生换相失败后,可以帮助系统平稳地恢复直流功率,实现故障穿越功能。

直驱式风电场功率协调控制策略

针对因风速扰动、负荷变化等引起的缓慢且幅度较大的电压波动,提出了一种基于直驱式风电场的功率协调控制策略。通过调节桨距角降低有功出力,从而增加风电场无功功率的调节能力,维持风电场出口电压水平,从而预防或避免由于电压偏差较大引起风电机组进入低电压穿越模式,造成其对电网更大的冲击。仿真结果表明,上述方法能够合理协调控制风电场的有功和无功出力,有效为风电场出口电压提供无功支持,从而维持接入点电压的稳定性。

直驱式风力发电系统的三相Z源并网逆变器建模与控制

提出将新型的三相Z源逆变器应用于直驱式风力并网发电系统中,并将传统三相PWM并网逆变器模型和等效的Z网络模型结合,建立了三相Z源并网逆变器的数学模型,分析了直通占空比改变对系统的影响,提出了在并网条件下获取稳定的Z网络电容电压和解耦的d、q轴网侧电流分量的控制策略,并给出了外环电压设定值的约束条件。实验结果证实了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

直驱式电液伺服系统压力流量复合控制

为实现直驱式电液伺服系统优化的压力流量复合控制,建立了直驱式电液伺服系统流量和压力控制的数学模型。提出基于压力差切换参数的恒压力限流量控制方式。并在此基础上对压力流量切换控制方式进行修正。这种复合控制在满足系统稳定性的前提下,极大地提高了系统响应特性。实验结果表明,通过合理的积分及死区调节,两种控制方式均可使压力流量平稳切换,系统对执行机构及负载参数变化的敏感性降低,系统响应性能得到提高。这些结果证实所提出方法的效果。

直驱式容积控制电液伺服系统动态性能研究

简单地介绍了直驱式容积控制电液伺服系统的组成、原理和特点,并对这类系统进行了数学建模、计算机仿真和试验研究,主要从系统结构参数和主控制器采用的控制方法两方面来分析对其动态性能的影响,进而提出改善系统动态性能的措施。研究结果表明,通过合理地选择系统结构参数和采用适当的控制方法,可以提高直驱式容积控制电液伺服系统的动态性能。

用于直驱式机电作动器的PMSM自抗扰控制研究

基于永磁同步电机(PMSM)的直驱式机电作动器,要求电机位置控制精度高、鲁棒性强,且具有极高的抗负载冲击能力。针对以上需求,设计了实用的PMSM自抗扰控制器。首先,采用线性控制率实现误差反馈控制,并应用扩张状态观测器(ESO)估计交、直轴电流交叉耦合及电量参数摄动所引起的扰动以进行前馈补偿,实现id=0的矢量控制及交轴电流随动控制;然后,应用跟踪微分器安排位置响应的过渡过程,用ESO估计出系统状态及负载和摩擦转矩引入的总扰动,分别用于实现非线性状态反馈控制及扰动补偿,完成以交轴电流为内环的位置伺服控制。仿真及实验结果表明,PMSM自抗扰控制系统精度高,响应快速无超调,刚度大,算法本身计算量小,且易于工程实现,具备可行性。

直驱式永磁曳引系统无称重传感器起动控制策略

无齿轮直驱式永磁曳引系统已成为现代电梯的发展趋势。为了提高电梯永磁曳引系统的性能,提出一种基于无静差模型预测控制的无称重传感器起动转矩控制策略。针对直驱曳引系统机械模型不确定、非线性和强扰动负载特性引起的预测模型失配问题,在预测模型中引入模型校正环节以克服模型失配问题。在预测模型中加入估计等效扰动信息来消除零伺服过程的速度静差,并将转速估计量引入到速度预测环节作为速度预测初值,从而无需在价值函数中再对预测速度进行校正。所研究的无称重传感器控制策略能够在抱闸释放瞬间准确控制电磁转矩,快速追踪不确定性综合扰动转矩,有效减小轿厢倒溜距离,并避免机械振动,从而提高了乘梯舒适性。最后,仿真和实验结果均验证了所提出无称重传感器控制方法的有效性。

基于H-MMC的直驱式永磁同步风力发电系统的运行与控制

提出了一种基于六边形模块化多电平交交变流器(H-MMC)的直驱式永磁同步风力发电系统,可以将三相风力发电机通过一级交交变换后直接并入三相交流电网,具有功率损耗低、变流器电容电压纹波小、无升压变压器并网的优点。详细分析了该系统的功率特性及变流器子模块电容电压波动的情况,提出了基于环流控制的电容电压平衡控制和基于双比例谐振控制器的电流跟踪控制,最终实现了风力发电机最大功率点跟踪下系统的稳定运行。MATLAB/Simulink仿真和RT-LAB硬件在环实验结果验证了基于H-MMC的风电系统具有良好的稳态运行特性和动态响应特性。

直驱式电液伺服转叶舵机退火蚁群寻优PD控制

针对直驱式电液伺服转叶舵机转动惯量大、时变不确定性和外负载复杂的特点,提出一种以最大最小蚂蚁算法和模拟退火策略为基础的具有不完全微分的PD控制器的设计方法。该控制器能在线搜索出一组最优PD控制参数Kp*和Kd*作为直驱式电液伺服转叶舵机实时控制中的PD控制器参数。在直驱式电液伺服转叶舵机及加载实验台上进行了阶跃响应和斜坡响应实验。实验结果表明,与传统PD控制器相比,基于退火蚂蚁群算法的PD控制器具有良好的动态性能和鲁棒性,能有效地提高直驱式电液伺服转叶舵机的控制精确度。

直驱式波浪发电系统的输出功率平滑控制策略

由于波浪的波动性和随机性,直驱式波浪发电系统的输出功率时刻波动。为满足并网要求,必须对输出功率进行平滑控制。将储能系统应用于波电输出功率平滑,选择具有响应速度快、循环寿命长特点的超级电容器储能系统,提出了2种功率平滑控制策略:一种基于低通滤波原理,通过滤除输出功率中的高频分量来平滑波动;另一种基于波电功率预测技术,滚动预测输出平均功率,克服了传统方法中平均功率难以获取的缺点。通过在理想波浪和实际波浪条件下的仿真,验证了所提出策略的有效性。