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[硕士论文] 马超
动力工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:随着新能源技术的不断发展,风力发电作为新型能源供给方式的代表,越来越受到人们的关注,人们对风力发电的安全可靠性,成本,发电效率和发电质量提出了更高的要求。永磁同步风力发电机系统作为一种代表性的发电系统,被广泛应用于现代风力发电行业中。然而风力发电系统是一个非线性、强耦合、多变量的复杂系统,由于风能信号的随机性、时变性,不可控等特点,加上外界环境中干扰造成的影响,传统的控制方式很难理想的控制品质,因而,针对永磁同步风力发电机系统的特性,采用新型的控制技术,设计一种不依赖于系统数学模型、算法简单、抗干扰性能强的先进控制算法,解决风力发电机系统存在的受扰问题、非线性问题以及提高风力发电系统的发电效率成为了风电领域具有挑战性的研究方向。
  本文针对直驱式永磁同步风力发电机系统抗干扰问题,致力于研究基于自抗扰控制(ADRC)的主动抗干扰控制方法,以提高系统的抗干扰能力。基于对永磁同步风力发电机系统分析的基础上,本文主要进行了以下几方面的研究:
  (1)直驱式永磁同步风力发电机系统是一种的非线性、强耦合的系统,对此提出一种基于不依赖于数学模型的自抗扰控制(ADRC)方法。首先将系统的内扰包括参数摄动,模型的不确定、控制耦合、未建模动态以及系统外扰一起看成系统的总干扰,然后通过扩张状态观测器(ESO)对系统的总干扰进行估计,再通过前馈补偿的方式消除干扰的影响。但自抗扰控制器中参数众多且难以整定,为此本文对控制器的各个参数进行仿真分析,进一步理解各个参数对控制性能的影响。
  (2)考虑实际应用中自然风速输入和外界干扰都有极强的随机性,且在系统中将不可避免的存在时延,扩张状态观测器(ESO)对扰动的估计精度将大大降低。针对这一问题,本文在传统的自抗扰(ADRC)控制方法基础上作出部分改进。同时,引入史密斯预估器到自抗扰控制当中来消除在时延在控制系统中影响。仿真结果验证了所提控制方法的有效性。
  (3)考虑到自抗扰控制器中参数较多,且参数的选取对控制性能有着较大的影响,实际生产实践中参数难以整定,本文结合滑模变结构控制及自抗扰控制,提出一种滑模自抗扰的复合控制系统。将滑模变结构控制引入到速度及电流自抗扰控制器的设计中,通过对控制器中的参数改进,使控制器保持了原自抗扰控制器的特点又使可调参数在切换时平滑过渡,降低了系统抖振,减小了系统的误差,改善了系统控制性能。
[硕士论文] 刘俊
控制工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:作为电器或各种机器的动力源,电机的主要功能是产生驱动转矩。在各种交流伺服驱动器中,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)以其体积小、噪声低、起动牵引力大、响应快、功率密度大、效率高等优点,在机器人等领域得到了广泛的应用。然而,永磁同步电机是一个参数时变、强耦合、多变量的高阶非线性系统,且存在建模误差、电路噪声、负载等多种干扰,实现电机的高性能控制很困难。目前,永磁同步电机的高精度控制是一个具有挑战性的问题,受到了广泛关注。本文主要针对永磁同步电机的速度跟踪和抗干扰控制问题进行研究,主要的工作和创新点如下:
  (1)针对永磁同步电机控制系统中存在多源干扰的问题,本文提出了一种基于干扰观测器的自适应控制策略。首先,该方法将电机系统中的干扰分为可建模的负载干扰和电路噪声、模型误差等效的能量有界干扰。其次,设计干扰观测器估计负载干扰,并采用自适应控制器补偿电机系统中可建模干扰估计误差和范数有界干扰,实现电机转速的快速跟踪控制。与传统干扰抑制方法相比,本方法不需要对范数有界干扰上界已知,而且具有更高的控制精度。
  (2)针对永磁同步电机控制系统中存在多源干扰的问题,本文提出了一种基于干扰观测器的非奇异终端滑模自适应控制方法。首先,该方法将电机中的干扰分为两部分,分别为可建模的负载干扰和等效的能量有界干扰。其次,可建模的负载干扰及其导数使用干扰观测器估计,使得电机调速系统的精度得到提高。再次,设计非奇异终端滑模控制器,补偿范数有界干扰并保证调速系统能够达到稳定。与已有的终端滑模控制策略相比,本文所提出的方法具有非奇异性而且具有较好的抗干扰性能。
  (3)针对非线性PMSM控制系统,本文提出了一种基于干扰观测器的自适应反推控制方法。首先,该方法将电机系统中的干扰分为外系统描述的干扰和负载干扰。其次,通过反推控制方法控制电机,实现电机的解耦,并采用自适应控制率补偿系统中负载误差,实现电机速度的快速跟踪控制。该方法无需将电机的数学模型线性化,减少了系统的不确定性,而且在反推控制中加入了对负载干扰的自适应补偿。与传统的反推控制方法相比,本文提出的方法同时具有干扰抵消和干扰抑制性能。
  对本文的PMSM调速控制方法进行仿真验证,仿真结果表明本文所提出的基于干扰观测器的抗干扰控制方法能提高系统的控制精度,具有较好的抗干扰能力和鲁棒性,同时在实际系统中具有较好的使用前景。
[硕士论文] 王剑英
电力电子与电力传动 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:针对目前采用通信技术对异步电动机状态进行监测及故障诊断过程中,常需要加大信息采集量来确保诊断结果的可靠性,造成需要处理的数据量大,导致数据存储占用空间多、传输带宽大的问题。由于考虑到在故障诊断系统中正常信号并不具有分析的意义,所以将故障特征信号单独进行传输和处理可以节省出更多时间与空间。因此,本文提出将不相关流形的连续投影(Successive Projections onto INcoherent manifolds,SPIN)算法应用到异步电机转子断条故障诊断时提取故障特征的过程中,运用电机电流信号分析(Motor Current Signal Analysis,MCSA)方法对异步电机定子电流信号进行分析,将其建模为故障分量与正常分量信号的总和,对原始信号进行迭代投影重构,将分量信号分别恢复出来,进而达到提取故障特征信号的目的。根据所得故障特征信号诊断故障部分则使用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)来实现。
  首先,研究压缩感知基本理论框架,并在其基础上对SPIN算法的基本原理及其推导过程进行详细阐述,根据MCSA方法对异步电动机故障运行时的定子电流进行数学建模,分析其正常频率与故障频率之间的相关性,并将其按照SPIN算法所述要求进行可行性证明与测量矩阵的设计。
  其次,分析异步电动机转子断条故障机理,利用MATLAB/SIMULINK搭建异步电动机转子断条故障的仿真模型,为后续进展提供所需数据。通过仿真获得异步电动机正常运行和转子断条故障运行时的定子电流信号以及相应的转速,并将定子电流时域信号利用FFT转换至频域。
  然后,通过MATLAB编写SPIN算法相关程序实现异步电动机转子断条故障运行时定子电流信号中正常信号分量与故障分量的分离重构。实验表明,采用SPIN算法可以从M/N=1.3%的低采样率中完全重构出分量,成功地将故障分量分离出来,使故障检测系统需要处理的数据进一步减少,大幅度地提高了系统运行的效率。
  最后,将SVM应用于异步电机转子断条故障诊断系统中,对经过压缩感知采样的故障特征信号进行识别得到故障诊断结果。使用仿真模型获得不同参数故障的训练样本,然后根据异步电机转子断条的特征提取特征量,进行测试后,其诊断效果可满足实际应用。
[硕士论文] 王一森
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着传统型能源的大量消耗,煤炭、石油等传统型不可再生能源的不断消耗不仅给我国的能源资源带来压力,同时也对环境造成大量的污染。风能这种清洁能源正在被越来越多的国家所重视,其开发利用也正在逐步走向成熟,其年增长量也在逐年递增,已经成为我国电力系统中增长速度最快的绿色能源,具有良好的市场前景。而双馈异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)因功率因数可调,调速范围宽、成本低、效率高等优点,已经成为目前风电市场中备受青睐的机型。
  DFIG风电系统运行控制的核心是对其网侧、转子侧变换器的控制。本文主要以转子侧变换器的控制为研究重点,在风力机等的相关理论基础之上构建了DFIG的传统矢量控制(Vector Control,VC)系统,通过对转子侧变换器的控制实现DFIG定子输出有功、无功功率的解耦。并对传统矢量控制中基于PI控制器的双闭环控制结构进行了改进,采用了基于幂次函数的积分滑模控制器取代了传统的PI控制器。
  本文主要分析研究了以下几个方面的内容:
  (1)分析了风力机的基本运行机理及变速恒频(Variable Speed Constant Frequency,VSCF)的基本原理,并详细介绍了DFIG在风速及转速变化情况下如何实现风能最大追踪的原理。
  (2)建立了DFIG在三相静止坐标系下的数学模型,并根据坐标变换,得出了两相同步旋转坐标系下DFIG的数学模型。根据传统的矢量控制原理构建了基于PI控制器的双闭环控制模型,实现了DFIG风电系统有功、无功功率的解耦。
  (3)对滑模变结构基本原理进行了介绍,针对传统的滑模抖振的问题分别设计了基于幂次函数趋近律的有功、无功电流分量的积分滑模控制器,并将其应用于转子电流的内环控制中用以代替传统的PI控制器。
  (4)将基于幂次函数积分滑模控制器的风电控制系统与传统的基于PI控制器的风电控制系统进行仿真对比,验证了所设计的基于幂次函数的积分滑模控制器相较于传统的PI控制器具有更加优良的动静态性能,并通过系统参数的改变验证了所设计的控制系统的鲁棒性。
[硕士论文] 陆畅
控制工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor,永磁同步电机)具有体积小、高转矩惯量比、损耗低以及快速动态响应性能,在军事和民用领域,尤其是新能源汽车与风力发电领域得到普遍的应用。MC(Matrix Converter,矩阵变换器)是近年来发展起来的一种AC-AC变换拓扑,因其具有结构简单,输入PF(Power Factor,功率因数)可调、输入电流和输出电压为正弦波以及谐波污染小等特点,在电机驱动、移动电源和发电系统等领域广泛应用,受到了国内外众多学者的关注。
  由于PMSM是一个较为复杂的非线性系统,本文采用间接方式对MC驱动PMSM的MPTC(Model Predictive Torque Control,模型预测转矩控制)系统进行分析研究。区别于传统的控制策略,提出一种将MC等效为虚拟DC-AC变换器和虚拟AC-DC变换器两种拓扑结构组合的方案,提出MPTC对虚拟DC-AC变换器进行电压矢量选择以解决转矩脉动和磁链脉动大的问题,利用滞环比较器对虚拟AC-DC变换器进行电流矢量选择,进而达到输入侧PF为1的目的。通过电压矢量和电流矢量的不同组合使得MC处于不同的开关状态,以此实现对PMSM系统的控制。
  主要研究内容分为以下几个方面:
  (1)分析MC的基本结构、开关状态选择原理,提出将MC等效为虚拟AC-DC-AC变换器的调制策略。同时,研究PMSM的三种坐标变换,并选取了合适的数学模型。
  (2)为减小转矩和磁链脉动对PMSM系统的影响,本文引入MPTC策略。提出MPTC对虚拟DC-AC变换器进行电压矢量选择,而虚拟AC-DC变换器的电流矢量选择由滞环比较器选取,以此为基础设计不同控制效果下的MC开关状态表。
  (3)针对PI调速器在系统负载转矩和给定转速发生变化时控制效果不佳的问题,利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈设计了ADRC(Active Disturbance RejectionControl,自抗扰控制)速度调节器,在负载转矩和给定转速变化的情况下对其跟踪效果进行研究。
  本文设计的PMSM控制系统能够有效减小磁链和转矩脉动,提高系统输入侧PF,使其有更好的动态响应性能。将ADRC速度调节器应用到系统中,可进一步调高系统抗负载转矩和给定转速变化的能力。最后,通过仿真实验对结果分析,验证方法的有效性。
[硕士论文] 何洁
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:目前,交流传动是现代工业生产中的一种重要传动方式。随着生产要求的提高,对电机控制系统的要求也越来越高,因此需要对电机本体及其控制策略展开研究。近年来,永磁材料、电力电子技术等的发展,使永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor,PMSM)广泛应用到众多领域。但由于PMSM数学模型具有高阶、非线性、强耦合等特性,同时交流控制系统存在许多不确定因素干扰,常规的控制方式无法获得高品质的控制效果。负载的大范围变化和参数的时变性是影响控制系统性能的两大主要因素。优良的控制策略通常采用一些非线性控制方法或者它们的综合控制方法,使系统具有较快的动态响应和较高的动静态精度。
  PMSM可看作是二端口的能量变换装置,该系统是一个典型的无源系统。基于端口受控耗散哈密顿系统(Port-controlled Hamiltonian System with Dissipation,PCHD)原理,对PMSM进行建模,采用互联和阻尼配置无源控制(Interconnection and Damping AssignmentPassivity-based Control,IDA-PBC)方法设计控制器。所设计的控制器有全局稳定、无奇异点、参数少、设计简单等优点。目前,基于无源性的控制方法已引起控制界学者的广泛关注。
  主要研究内容分为以下两个方面:
  (1)研究基于无源性的PMSM双闭环控制系统。传统PMSM的无源控制系统采用PI转速调节器,当系统存在扰动时,系统鲁棒性较弱。为提高系统鲁棒性,采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)转速调节器。利用无速度传感器技术,设计基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的转速观测器观测电机实际转速。
  (2)针对无源控制器的设计,在PBC方法基础上结合鲁棒控制技术,设计鲁棒无源控制器,以增强系统鲁棒性。采用基于幂次函数的积分型滑模(Sliding Mode,SM)转速调节器。因为负载转矩无法直接测量得到,由负载转矩观测器估计实际转矩。SM转速调节器和负载观测器组成复合控制策略,设计基于复合控制策略的PMSM鲁棒无源控制系统。
[硕士论文] 陈彦求
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着新能源在全世界能源消耗所占比例的增加,风能的利用越趋成熟,风电技术得到飞速发展。前端调速式风电机组就是其中新兴的新型机组,具有无功输出能力强,低电压穿越,电能质量好等优点,然目前在含前端调速式风电机组风电场的无功优化控制上的研究还极其欠缺。而伴随风电装机容量的增大,风电场的自我无功调节能力受到很大的挑战,这就需要具有较强无功输出能力的前端调速式风电机组参与到风电场的无功优化控制。含前端调速式风电机组风电场无功优化控制的研究对于该机组在国内的推广,以及为我国风电技术的发展提供一定参考依据,意义重大。
  为得到前端调速风电机组的无功输出范围,本文分析了前端调速风电机组的运行理论,建立前端调速式风电机组的风力机模型、传动链模型、励磁系统模型及同步发电机模型,得到前端调速风电机组的数学模型和输出功率方程,结合同步发电机无功约束限制,分析得到前端调速风电机组的无功输出范围,并设计鲁棒励磁控制器对机组无功功率进行控制。分析风电场主流无功补偿装置的结构和运行原理,通过仿真和综合对比选取无功补偿装置。
  为改善风电场内的无功潮流分布,减少场内网损,以有功网损和补偿装置年合费用最小为目标,以电压为约束,采用改进的遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对风电场进行无功规划优化,先确立了无功补偿的优化安装位置和补偿装置的无功容量,在此基础上,对风电场内无功输出设备的组合进行划分,以有功网损最小为目标,以电压越限率为罚函数,分别在5种场景下采用改进遗传算法进行无功运行优化,获得最优运行组合决策。以此为铺垫,提出风电场无功分层递阶控制策略,通过各场景下无功优化结果对前端调速式风电机组和无功补偿装置的无功输出容量进行分配,并对机组和无功补偿装置的无功输出进行控制,达到无功功率的最底层控制。通过风电场无功优化控制,达到风电场运行的经济性和电压稳定性。
[硕士论文] 付晓阳
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:目前,风力发电技术作为一种清洁能源和可再生能源获得迅猛的发展,并在商业化和工业化领域具有重要的实用价值。直驱永磁风力发电系统具有结构简单,高效和可靠性高等特点,因其具有良好的发展潜力而获得了广泛的研究。本文针对永磁同步直驱风力发电系统中永磁发电机和机侧变流器的控制方法进行研究,主要研究内容包括机侧变流器的无源控制方法和无速度传感器控制技术。
  本文首先阐述本课题的主要研究意义以及介绍永磁同步直驱风力发电系统的国内外研究发展趋势;对目前机侧的控制策略进行详细介绍和分析,并将无源控制的国内外研究现状以及在电气技术领域的应用进行介绍和分析;同时介绍无速度传感器控制技术的国内外研究现状和适用范围。
  其次,对永磁同步直驱风力发电系统做简单的介绍,并阐述风力机的数学模型和最大功率点跟踪的控制机理;给出不同坐标相互关系和转换以及其相对应的举例,并建立永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型;同时介绍了欧拉,拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)和端口受控耗散哈密顿(Port-Controlled Hamiltonian Dissipation,PCHD)系统的模型。
  再次,在建立旋转坐标系下PMSG系统的数学模型基础之上,通过能量成形的角度分析,结合PCHD无源控制理论和模型,构建永磁同步直驱发电系统在标准PCHD下的数学模型,并考虑无源控制(Passivity-Based Control,PBC)中所涉及PMSG系统参数变化对控制精度的影响,构造出基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的无源控制器,同时为了提高转速环的高精度控制,设计基于反双曲正弦函数的自抗扰转速调节器;再通过仿真实验验证其控制策略的控制性能。
  然后,分析基于ESO的无源控制中阻尼矩阵参数的不足,设计基于ESO的模糊无源控制器;为了实现永磁同步直驱风力发电系统在全速范围内的无速度传感器控制,结合分数阶微积分和滑模控制原理的优点,构造基于分数阶滑模控制的转速观测器,并采用李亚普洛夫理论证明该观测器的稳定性和收敛性;同时建立它们的仿真模型进行正确性和有效性验证,并对其仿真结果进行分析。
  最后,总结本文的主要研究成果以及在后续有待研究的内容。
[硕士论文] 许伟奇
控制理论与控制工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有较高效率、转矩惯量比,能量密度和简单易行等显著特点,因此在雷达、数控机床、电动舵机、机车、机器人等各领域得到广泛应用。目前,驱动电机控制系统的电压源逆变器(Voltage SourceInverter,VSI)主要有:两电平逆变器和三电平NPC型逆变器。与传统两电平逆变器相比,三电平NPC型逆变器具有较小的功率管承受电压应力和电磁干扰、较低的电压总谐波畸变率和开关损耗等特点;但是三电平NPC型逆变器的开关器件数量较多,将会导致逆变器的可靠性降低,如果三电平NPC型逆变器桥臂发生开路或短路,将会造成电机控制系统无法正常运行,甚至会影响整个系统的运行安全,造成不可估量的经济损失。在某些高性能的交流控制系统中,逆变器是最容易发生故障的薄弱环节。因此,为提高控制系统的可靠性,将三电平NPC型逆变器进行容错控制具有重要地研究意义。经过多年研究,不同的三电平NPC型逆变器容错控制的拓扑结构相继被提出,本文将采用三相八开关逆变器(TPESI)作为三电平NPC型逆变器容错控制的拓扑结构。与其它容错控制相比,该策略具有结构简单、成本低和带负载能力强等优点。
  在高性能的PMSM系统最为传统的控制方法有矢量控制(Field OrientalControl,FOC),直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)。近些年来,学者提出一种受到广泛重视的可优化控制方法-有限控制集模型预测控制(Finite Control Set ModelPredictive Control,FCS-MPC)。与FOC和DTC技术相比,FCS-MPC能够改善驱动系统动态性能,同时能够有效降低系统电磁转矩脉动和定子电流的总谐波值(Total HarmonicDistortion,THD),并且具有较强的约束处理能力。因此本文采用FCS-MPC策略来控制三相八开关容错逆变器驱动PMSM系统。
  本文的主要研究内容有以下几个方面:
  (1)首先分析直流侧母线电容电压不平衡的原因,通过驱动系统的运行模式建立三相八开关逆变器和永磁同步电机(PMSM)的数学模型;其次为降低反电动势的计算量,设计出基于反双曲正弦函数的扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的反电动势观测器,并构建基于ESO的三相八开关容错逆变器(Three-Phase Eight-Switch FaultTolerant Inverter,TPESFTI)驱动PMSM系统模型预测电流控制(Current Model PredictionControl,MPCC)策略。
  (2)针对三相八开关容错逆变器(TPESFTI)驱动PMSM系统;考虑传统FCS-MPC策略的计算量大和复杂性等问题,提出基于快速矢量选择的有限控制集模型预测控制策略;与此同时,为提高该控制系统的动态性能和鲁棒性,设计出带有ESO的自适应滑模转速调节器;并对PMSM驱动系统进行无传感器控制,构造基于反双曲正弦函数的ESO的转速观测器。
  (3)为解决传统滑模控制的抖振现象等问题,结合滑模控制理论和分数阶微积分技术的优点,采用dq0旋转坐标系下的定子电流和电压作为输入量,构造出分数阶滑模观测器,并对PMSM系统的反电动势和转速进行快速准确实时性观测。
  (4)针对三相八开关容错逆变器驱动PMSM系统,基于分数阶滑模观测器的技术,设计出αβ0两相静止坐标系下的转速、转矩和磁链观测器;同时考虑模型预测转矩控制中的不平衡电压,构造出可优化的最小性能目标函数。
[硕士论文] 崔宏伟
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其众所周知的优点被广泛用于高性能的调速系统。为了实现PMSM高精度控制,需要对电流进行反馈控制,因此就需要在逆变器交流侧安装两个相电流传感器。如果电流传感器出现突然的故障,会导致系统过载电流,假如对驱动门电路不采取正确的保护措施,就会使得逆变器功率半导体出现不可恢复的失效,由此造成电机性能的恶化。因此,有必要考虑对相电流传感器的容错控制。本文采用扩张状态观测器(extended state observer,ESO)方法对PMSM驱动控制系统进行了无电流传感器技术的研究。
  本文采用的PMSM驱动系统控制策略有矢量控制(Vector Control,VC)和有限控制集模型预测控制(FiniteControl Set-model Predictive Control,FCS-MPC)。VC通过坐标变换对电机的转矩和磁链进行解耦控制,使系统具有好的转矩特性。FCS-MPC策略是一种通过使用系统模型来对控制变量未来时刻进行预测的控制算法,其优势在于无需复杂的PWM调制器,可以减小磁链和转矩脉动,从而改善系统的动态和稳态性能。
  主要研究内容分为以下几个部分:
  (1)针对PMSM驱动系统单相电流传感器故障情况,构造基于ESO单电流观测器的滑模-模型预测转矩控制系统。考虑到定子电阻变化,采用ESO理论设计了单电流观测器,以替代故障相电流传感器,从而实时估计相电流和定子电阻;对PMSM驱动系统采用模型预测转矩控制策略,以减小转矩和磁链脉动,从而实现对控制系统的高性能控制;设计基于幂次函数的滑模转速调节器,以提高对控制系统的鲁棒性。
  (2)针对PMSM驱动系统无任何电流传感器的情况,构造基于ESO无电流观测器的模型预测转矩控制系统。考虑到定子电阻变化,采用ESO理论设计了无电流观测器,以实时估计三相定子电流和定子电阻;对PMSM驱动系统采用模型预测转矩控制策略,以减小转矩和磁链脉动,从而实现对控制系统的高性能控制。
  (3)针对PMSM驱动系统无任何电流传感器情况,构造了基于双ESOs无电流观测器矢量控制系统。考虑对定子电阻变化和定子电感变化的鲁棒性,采用双ESOs理论设计了无电流观测器,以实时估计三相定子电流。
[硕士论文] 何爱欢
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国经济的快速发展,对能源的依赖度也越来越高,与此同时化石能源的大量开采也带来严重的环境问题。化石能源是不可再生资源,所以人们把目光转向了可再生能源;而风能作为一种可再生的能源,在全世界都有着巨大的蕴藏量,其可再生、无污染等特性,使风力发电成为全球可再生能源的发展方向之一。
  风力发电在我国经济中的地位提升,使我国的风电机组装机容量有了较快的发展,也对风电发电的要求越来越高,由于我国的风电技术研究相对于欧洲等地区,风电技术的基础薄弱,虽然在过去的数十年内,我国掌握了多项核心技术,但仍然存在一些问题:风电机组高端技术大多掌握在欧洲等国家。此外,由于风能资源具有高度的随机波动性和间歇性,大规模风电接入会对电网平衡、电网安全、电能质量等带来诸多严峻挑战。常规风电场更多关注风电机组和风电场满足电网安全稳定运行所要求的并网电压稳定性,严重影响了资源的充分利用和电网的安全运行。我国现有发电的风机机型大多数为异步风电机组,存在着无功功率输出能力不足、维护工作量大等问题。
  德国VOITH TURBO公司于2006年首先成功研制出前端调速式风电机组(front-endspeed controlled wind generator,FSCWT)样机,前端调速式风电机组的设计和控制技术能够使风电场具备与常规发电厂类似的特性,最大限度地满足发电性能和电网安全稳定运行两方面的要求。因此,在2012年将FSCWT引进消化、吸收,在整机控制技术、零部件匹配与调试技术、系统布局与优化技术以及系统的安全性、可靠性、可维性评估等方面取得了一些成果。FSCWT调速的方式与常规的双馈风电机组不同,采用以液力变矩柔性传动取代刚性传动模式,该型机组省去了风电机组的变频装置,具有较高的可靠性、维护量少等特点,并解决了常规风电机组存在的低电压穿越能力不足的问题。本文的主要研究内容如下:
  (1)在掌握FSCWT机型的机理基础上,对机组的控制系统、励磁系统进行了阐述,建立含前端调速式风电机组风电场的并网模型,并确定采用3节点系统模型分析并网稳定性问题。
  (2)介绍分岔理论中的分岔现象,并对电网系统中的静分岔与动分岔进行了定义并简要介绍了静分岔与动分岔的分析方法,在此基础上对静分岔与动分岔进行了分类。
  (3)基于前端调速式风电机组风电场的并网模型,建立等值的3节点模型,并在MatCont仿真环境中采用含前端调速式风电机组风电场等值3节点模型。在此基础上,分析风速参数扰动下前端调速式风电场接入对电网电压稳定性影响,并分析励磁系统作用下节点电压随风速变化分析。最后分析负荷无功波动与励磁系统共同作用下的电压稳定性,并分析负荷侧有功功率波动时的电压稳定性。
  (4)在含前端调速式风电机组的简单电网系统中,分析负荷特性对电网电压稳定性的影响。
  将FSCWT接入电网,可将其看作为一个复杂的动态非线性系统。因此,基于分岔理论的含前端调速式风电机组风电场并网电压稳定性分析显得尤为必要。
[硕士论文] 罗维多
控制理论与控制工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着电机控制技术、电力电子技术和检测技术的发展,永磁同步电机(PermanentMagnet Synchronous Motor,PMSM)成为了电机驱动系统发展的首选。对于永磁同步电机的控制技术而言,最先提出的控制策略有磁场定向控制和直接转矩控制。但是这两种控制策略各有优缺点,不能保证电机控制系统在动态特性和鲁棒性等方面的优化控制。先进的控制算法需要考虑到系统的固有特性、非线性等因素;因此有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)作为一种高性能的在线优化控制算法应运而生。FCS-MPC方法复杂性低,对控制变量之间系统约束具有较强处理能力,因此,FCS-MPC方案已成为过去几十年间电机控制领域的一个重要研究分支。相对于传统的磁场定向控制和直接转矩控制,FCS-MPC能明显使电磁转矩脉动减小,减少逆变器的开关损耗,使系统的动态性能得到改善。
  电力电子技术的发展使电机驱动系统摆脱了常规两电平逆变器拓扑的限制,电机驱动系统与多电平逆变器的结合成了新的思路。多电平逆变器的输出电平数多,因此其输出波形更好,在大容量交流调速系统中优势明显。作为多电平逆变器的研究基础,三电平逆变器应用最为广泛,而其中首选的是二极管钳位型三电平逆变器。因此采用二极管钳位型三电平逆变器驱动PMSM的模型预测控制系统作为研究对象。
  在PMSM驱动系统中,位置与转速的检测是非常重要的,一般采用的方法是通过机械传感器来进行测量,但这种测量方法在实际应用中有很多缺陷,会降低电机系统的稳定性和可靠性,同时会增加成本。而无速度传感器技术是通过检测电机中的电流或电压,来对电机的实际转速和位置信息进行估计,这种技术省略了常规使用的机械传感器,能够实现电机系统的高精度、高动态性能的控制。因此PMSM的无速度传感器控制技术成为了近些年的研究热点。
  主要研究内容分为以下几个方面:
  (1)基于同一PI转速调节器,设计三电平逆变器驱动PMSM模型预测转矩控制系统,与两电平逆变器驱动PMSM MPTC系统对比,并对两个系统的运行性能进行对比分析。
  (2)为进一步提高系统响应性能,克服未知负载转矩扰动、增强系统鲁棒性,设计扩张状态负载转矩观测器,进而得到将负载转矩观测器和基于幂函数滑模转速调节器相结合的复合控制器。
  (3)设计基于分数阶滑模观测器的PMSMMPCC系统,实现对电机转速的快速准确估计。
[硕士论文] 白一秀
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着风电场规模的不断扩大,风电场内包含风电机组的数目不断增加,针对风电场建模问题,如果对场内的每台机组进行详细建模,可能会导致仿真计算时间较长、潮流计算难以收敛等诸多问题,因此,将风电场模型进行简化或等值对风电场建模的研究具有重要意义。
  本文在掌握前端调速式风电机组原理的基础上,分析了机组的整体结构及其运行原理,建立了机组的模型并对机组的输出特性进行了分析。针对常用的Jensen尾流模型对尾流直径变化趋势的假设不合理问题,采用了一种一维非线性尾流模型,该模型充分考虑了湍流强度、风剪切效应以及推力系数随风力机工作风速的变化关系,体现了尾流直径呈抛物线的变化趋势。通过与实测的风速曲线对比表明,利用一维非线性尾流模型可以较为准确的模拟风速的变化趋势。
  对于风电场建模的外特性法,本文通过数理统计的方法对风电场每台风电机组的实测风速及有功功率进行分析,得到风电机组的实测风速-功率特性曲线,并利用该曲线,求出叶尖速比与风能利用系数之间存在的映射关系,得到能够反映风电机组实际输出特性的风力机参数,从而建立了风电机组模型;其次,分析了风电场内每台风电机组的实测风速数据,并根据其大小,利用改进型最大树法实现风电机组的分群,进而建立了风电场的等值模型,并与详细模型的输出进行了对比分析。仿真结果表明,基于实测风功率曲线的等值模型与详细模型输出基本一致,且在风速波动和系统故障情况下,能够有效地描述风电场的输出特性,提高了风电场等值建模的准确性。
  针对风电场内分群结果随着运行场景的变化而引发等值模型的不确定性问题,在对风电场建模时采用了基于多机表征法的风电场聚合建模方法。该方法依据风速的马尔科夫性建立其概率转移矩阵,并以概率转移矩阵的扩散距离为分群指标,利用two-step聚类方法对风电机组进行聚合分群,并根据Fisher判据对分群结果进行概率分析。以每一季度取概率最高者为最终分群结果,从而得到风电场的聚合模型,并与风电场详细模型的输出进行了比较分析。仿真结果表明,应用该方法对含有前端调速式风力发电机组的风电场进行聚合建模是有效的,且该模型具有较高的精度。
[硕士论文] 徐启超
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:永磁同步电机(PMSM)凭借高性价比,高精度,高功率因数的优点,在高性能要求的伺服传动系统中广泛应用。它以稳定、高效的驱动性能,越来越多的被运用到电动汽车领域。传统的永磁同步电机采用编码器、旋转变压器等机械传感器来获取电机转速和转子位置信息,不仅增大了电机整体体积和重量,而且有损系统的实用性、稳定性和可靠性,同时限制了在某些恶劣场合的应用。为了克服机械传感器带来的劣势,无位置传感器控制应运而生。本文主要以表面式永磁同步电机为研究对象,具体工作如下:
  本文首先介绍无位置传感器控制技术的研究现状,对中高速和低速范围的控制策略进行了详细介绍,建立了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型。以此,建立了永磁同步电机速度、电流双闭环调速系统。
  其次,介绍了滑模观测器法和高频信号注入法的基本原理。系统在中高速域时使用滑模观测器法,探讨了滑模变结构控制及传统滑模观测器的原理,针对传统观测器存在的抖振、速度估算不精确以及相位延迟等问题进行改进处理。在MATLAB中对传统与改进的滑模观测器仿真对比分析,证实了改进型滑模观测器估算转子位置和速度精度更高,观测效果更好。系统在低速域时使用脉振高频电压注入法,根据该算法原理进行转子初始位置检测并根据磁路饱和原理改善转子位置观测器的控制性能。
  最后,基于单一的控制策略无法实现全速域的无传感器精确控制,本文将改进型滑模观测器和脉振高频信号注入法相结合,利用加权函数对两种控制策略进行切换,实现转子位置与转速双闭环控制。仿真结果表明在切换区间内速度波形无明显波动,达到平滑过渡的目的。验证了控制算法的正确性和有效性。
[硕士论文] 王猛
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)因结构简单、控制方式灵活,且定、转子材料不需要稀土资源,已经被广泛运用于各种工业,并表现出广阔的市场潜力和应用前景。它具有稳定、高效的驱动性能,现在越来越多的被运用到电动汽车领域。SRM拥有双凸极的特殊结构和开关形式的供电方式,以及运行时磁路更加饱和,使其转矩脉动较大。这限制了SRM的发展及应用,也使转矩脉动的抑制成为SRM领域的研究热点。针对SRM转矩脉动问题,研究人员提出了多种控制理论和算法,如模糊控制,滑模控制等,但都有一定的不足。
  本课题在阅读文献的基础上,了解SRM发展概况及应用研究方向,阐述SRM转矩脉动抑制的研究现状,分析SRM的基本结构和工作原理,推导出SRM的基本方程,并对SRM的模型和基本控制策略进行了简要介绍。
  针对SRM转矩脉动较大的问题,本文采用了一种基于转矩分配函数的SRM直接瞬时转矩控制方法。所用方法用有限元计算法对SRM进行建模分析,得到SRM的转矩-电流-转子位置角的特性曲线后,通过选取合理的转矩分配函数,设定开关状态,用转矩闭环代替间接控制中电流闭环来进行实时转矩计算,并把合成瞬时转矩分解为每相转矩,并与每相实时转矩相比较,进行转矩滞环控制。最后在MATLAB/Simulink中进行仿真验证,并与传统方法做仿真对比,通过仿真结果及对比证明所用方法通过合理的分配转矩,能够实现对转矩脉动的有效抑制,提高系统的稳定性。
[硕士论文] 周忠原
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着工业社会的不断发展,电动机已经成为当前社会不可或缺的工具。但是,如果电动机出现故障,将会大大影响工业生产的质量以及电网的正常运行,甚至造成人员伤亡。所以,研究能够自动监控和保护电动机的装置是十分必要的。在各类电动机中,以异步电动机应用最为广泛,因此本文的研究对象是异步电动机的测控保护装置。
  针对目前一些测控保护装置故障类型判别准确度不高,存在保护配合不合理等问题,本文分析了对称故障和不对称故障的特征量,研究了各类保护的工作原理,设计了保护判据的整定值和保护动作原理框图。本文采用全波傅里叶算法提取电压、电流、负序电流和零序电流的基波幅值,设计了保护判据的算法,针对算法运算精度和速度之间的矛盾,研究了递推傅里叶算法,理论上,递推傅里叶算法在保证计算精度的前提下提高了响应速度。
  针对目前测控保护装置存在的硬件缺陷,本文设计了测控保护装置的硬件的电路,主要包括处理器电路、信号采集电路、电源电路、开关量输入/输出电路和人机交互模块等。设计了处理器需要的时钟电路、电源电路、外扩EEPROM等,选择DS1305芯片作为实时时钟电路,保证系统时间的准确性同时可以存储重要数据;设计了7路信号采集电路分别采集电压、电流和零序电流,外扩了8通道、16位的A/D转换芯片AD7606提高系统的采样精度;设计了4按键的按键输入系统,节省了系统资源。
  针对需要实现的保护功能,本文在嵌入式操作平台μC/OS-Ⅱ,按照多任务的思想设计了测控保护装置的软件部分,并将其划分为6个任务优先级,分别是故障保护任务、信号采样任务、信号处理任务、数据通讯任务、按键输入任务和显示任务。
[硕士论文] 张倩倩
控制工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:风力发电机的发展得到全球支持和推广,科学家致力研究大功率的风力发电机。相关数据表明,功率为3MW的风机叶片单支重量高达10t,由此可见风力发电机承受着越来越大的负载。载荷不仅是风力发电机组噪声的主要来源,同时引发风机零部件长时间、大幅度的震动,严重损伤机组零部件,大大降低风机的使用寿命。因此,对风力发电机载荷进行计算、统计分析至关重要。
  本课题通过对风力发电机载荷进行研究,提出了风机叶片空气气动载荷计算算法,同时基于动量叶素理论进行了修正、改进,并且模拟得到风机载荷的短期分布。本文主要分为两部分:一部分是研究风力机计算载荷的方法,研究了风力发电机叶轮重力载荷、离心力载荷和空气动力载荷的计算方法,并且基于动量叶素理论设计了空气动力载荷计算算法,以及算法的修正、改进,利用GHBladed软件验证了算法的正确性;另一部分是,引入雨流计数法对GH Bladed仿真得到挥舞方向和摆振方向的弯矩进行雨流计数,同时引入三参数Weibull分布模型统计得到风机叶片载荷的短期分布,此外给出了风机叶片载荷长期分布的计算方法,为风机发电机的气动设计和评估工作提供参考,提高风力发电机的运行效率。
[硕士论文] 王海
控制工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类社会的不断进步,工业化进程的不断加快,世界各地对能源的需求量急剧上升。为了更好地解决能源问题,发展区别于传统能源形式的新能源势在必行。风能作为一种高效的,可利用新能源,备受人们的关注。
  风力发电机组作为风能转换为电能的载体,无论是机组的自身技术问题,还是生产过程中存在的制造问题,都非常有研究的必要。本文选择双馈异步风力发电机的变桨距控制系统作为研究对象,希望对变桨距控制系统进行改进,从而提高风力发电机组的发电效率和电能质量。
  对于目前变桨距控制系统而言,采用的核心算法仍旧是常规PID算法,这种算法虽然能基本满足机组需要,但也存在着许多问题。本文在此基础上,提出基于膜计算的自整定PID算法,旨在提高变桨距控制系统的性能,为机组的稳定可靠运行提供保障。
  基于膜计算的自整定PID算法,是在常规PID的基础上,引入膜计算模型,利用膜计算的优势,提高PID三参数整定的速度和准确率,为系统提供更加匹配的比例系数、积分时间和微分时间。
  本文采用理论与验证相结合的方式进行研究。首先,对双馈异步风力发电机组建立有效的数学模型。其次,对机组的变桨距控制系统进行深入地探讨,在原有的基础上提出基于膜计算的自整定PID控制器。再对基于膜计算的自整定PID控制器进行详细地设计和验证。最后,以双馈异步风力发电机组的数学模型为依托,对基于膜计算的自整定PID控制器进行仿真实验,并对仿真结果进行讨论。
[硕士论文] 尹雪雪
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着工业的发展,异步电机的地位越来越重要,几乎被用各个领域,毫无疑问,异步电动机为我们的日常生活提供了最为广泛的机械动能和电能。一旦电机发生故障,我们日常的生产生活必会受到影响,如若故障严重,则会引发重大的工业事故,导致人员伤亡等状况的发生。因此,及时发现电机的故障并进行维修是非常必要的。本文建立了一个基于Android平台的电机故障诊断系统,综合了以Android为操作系统的智能终端和便携式下位机采集器二者的优势,在Android故障诊断客户端利用支持向量机算法进行电机故障的分类建模,用户可通过Android终端设备随时查看电机运行状态的诊断结果,真正实现了诊断的便捷性,具有一定的实用价值。具体包括如下研究内容:
  首先,本文依据电机的电磁理论,通过对电机的转子断条、定子匝间短路、转子偏心和轴承故障这四种故障机理进行分析,确定了以电机定子电流信号频谱为依据的特征分量。并利用支持向量机算法对特征分量建立故障诊断的建模,为了进一步提高分类的准确率和诊断的时间,本文又在该算法的基础上提出了交叉验证的方式以及遗传算法和粒子群算法进行参数c/g的优化,分类的准确率达到了98.667%,并通过MATLAB对采集到的故障数据进行了仿真验证。
  其次,设计本系统的下位机采集器,下位机是基于STM32实现的,包括软件和硬件两大部分,在AD15(altium designer15)软件平台上实现硬件电路的设计,硬件的选择和设计部分主要包括电源电路、信号采集与调理电路、A/D转换电路、蓝牙通信电路等。软件部分的设计采用了KEIL uVision5软件进行编程,主要对FFT算法、数据采集和通信等程序进行设计。搭建出了下位机数据采集系统的整体模型。
  最后,对电机故障诊断系统的Android客户端进行模块设计,包括蓝牙通信模块,用户登录模块,Service后台采集模块、电机状态数据分析模块、电机状态数据存储模块和电机运行状态显示模块。最终完成了基于Android平台的电机故障诊断系统的整体设计。
[硕士论文] 李景忠
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着步进电机驱动技术的进步与发展,步进电机因具有体积小、性价比高、控制精准且无累积误差等优势被广泛应用在工业自动化等领域。同时这也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。由于采用传统的步进电机驱动技术,步进电机只能以整步或半步方式运行,并需要专门的脉冲驱动电源供电。这种驱动方式控制精度低,容易出现低频振动和噪声,存在累计误差,限制了其应用领域。因此,为了适应社会的发展和实际生产生活的需求,解决步进电机运行时步距角过大,分辨率不高的问题,催生了新型步进电机驱动技术,即细分驱动技术,该技术的原理是通过精准控制步进电机励磁绕组中的电流,使步进电机励磁绕组中的电流由方波式投入或切除变为阶梯波式投入或切除,其内部的合成磁场矢量成圆型旋转磁场,这样不仅可以提高步进电机的控制精度,使其运行更平稳,而且可以明显降低低频时的振动和噪声。
  针对步进电机驱动系统存在的上述不足,本课题在分析两相混合式步进电机的工作原理和数学模型,并重点分析细分驱动技术的基础上,提出采用细分驱动结合斩波恒流驱动和H桥驱动的方式,设计实现集控制驱动于一体并支持256细分的多细分高精度的步进电机细分驱动系统;系统以STM32为控制核心,TC1005为驱动核心组成步进电机细分驱动系统。除此之外,还利用LabVIEW软件开发了适应此系统的上位机界面,可实时与控制器数据通信,实现智能化调控步进电机运行。
  通过利用MATLAB软件的Simulink仿真工具搭建两相混合式步进电机细分驱动仿真模型并进行仿真,同时基于设计的系统硬件电路搭建实物实验平台进行测试,结果表明,实验测试与理论仿真波形基本相同,通过上位机界面能够实时调控步进电机运行状态,系统最高支持256细分,控制精度高,无需传感器可实现堵转检测,运行平稳,振动和噪声小,具有广泛的工业和商业应用价值。
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