学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

无刷双馈风力发电机无速度传感器控制的研究

作　者: 朱云国
导　师: 张兴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 风力发电变速恒频无刷双馈发电机变流器矢量控制无速度传感器模型参考自适应系统
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
下　载: 3次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

风力发电作为具有较大潜能的可再生能源开发形式,近年来得到了越来越广泛的研究,其中双馈型变速恒频(VSCF)风力发电技术以其独特的优势得到了较快的发展。目前在变速恒频风力发电系统中广泛应用的交流励磁双馈发电机多为由金属和石墨复合的有刷结构,电刷和滑环之间长期保持适度润滑很困难。另外,电刷的运行过程中会产生磨屑,需要定期清理。这种复合材料对湿度非常敏感,相对湿度低于15%或高于85%,易于导致磨损不均。有刷双馈风力发电机的滑环和电刷甚至需要每年更换一次。海上风电场因湿度大,维修需要的时间相对较长,费用约为陆上的两倍,这为海上风电场应用有刷双馈电机带来了挑战。而无刷双馈发电机省去电刷和滑环结构,其维护方便,性能更加可靠,尤其适用于环境更加恶劣的海上风电场。目前无刷双馈发电机已经一些研究,但针对其无速度传感器控制的研究相对较少,本文就无刷双馈风力发电机进行的主要研究工作可概括如下：1、由于转子结构决定无刷双馈发电机的性能,绕线转子实现了低谐波磁动势,导体利用率高,具有更好的实用性。本文采用变极法绕线式转子结构的无刷双馈发电机为研究对象,阐述了无刷双馈发电机的运行机理,分析了无刷双馈发电机在亚同步速、同步速和超同步速不同工作区间的能量转换关系。为了减少求解变量,更好地探讨无刷双馈发电机的控制规律,在三相静止坐标系的数学模型基础上,将功率侧与控制侧均相对于以转子速旋转的两相坐标系静止,建立了转子速坐标系下的数学模型。由于控制绕组直接与机侧变换器连接,为了实现矢量控制,将功率侧和控制侧分别与其本身的旋转磁场同步,建立了双同步速两相旋转坐标系数学模型。2、安装测速编码器会增加硬件维护,使电机轴向上体积增大,并且安装时存在同心度的问题。同时,风力发电系统中控制子系统放在塔架底部,通常需要超过100m长的传输线,光电编码器工作易受高温、高湿环境的影响,降低了系统工作的可靠性。为了克服安装测速编码器不良影响,使系统更能适用于恶劣的风场环境,针对无刷双馈发电机内部有两个定子绕组和一个转子绕组复杂的电磁关系,以双同步速两相旋转坐标系作为参考坐标系,提出了一种使用于无刷双馈发电机的模型参考自适应的速度估计方法。通过观测旋转坐标系下的无刷双馈发电机的功率绕组定子磁链,克服了传统的磁链观测采用静止坐标系建立参考模型时存在纯积分计算带来的积分初值以及直流偏移的不足,实现了转速的估计。3、针对无刷双馈发电机是一个多阶非线性的复杂系统,传统模型参考自适应速度估计时比例、积分参数固定,不能使控制系统性能保持在最佳范围,提出了模糊PI模型参考自适应速度估计方法。对无刷双馈发电机功率绕组定子侧有功电流以及比例、积分参数等影响估算速度性能的因素,在小信号模型中进行了分析。模糊PI模型参考自适应速度估计方法在发电机的不同工况时调节比例、积分参数,使无速度传感器控制系统在转速估计的过程中对速度变化的跟随性和转矩电流变化的抗干扰性都得到提高,改善了系统的动态响应。利用Matlab/Simulink软件进行仿真研究,对比分析了模糊PI无速度传感器控制与常规PI无速度传感器控制的控制性能,验证了所提出转速估计方法的可行性和有效性。4、背靠背变流器系统中的直流侧电容与系统中的其他原件相比寿命要短几个数量级,为了减小变换器中的电容容量并且稳定直流侧的电压,提出了双向变换器内模-前馈复合控制方案设计。首先阐述了无刷双馈型发电机的背靠背变流器中的网侧变流器的控制原理,并就独立控制方案设计了电容的容量。然后在相同的直流侧电压波动的条件下,为了进一步减少直流侧的电容容量,将机侧的功率变化量通过前馈引入网侧变换器,并且利用内模控制来减小延迟,加快对给定量的跟随。分析了该方案能在相同的电容容量的情况下减小电压的波动,验证了所提出的复合控制方案的可行性。5、在理论研究的基础上,以两片DSP为控制核心搭建了背靠背变流器,组成了5KW无刷双馈风力发电机变速恒频矢量控制系统的实验平台。采用普通交流异步电动机作为原动机来拖动实验用的无刷双馈发电机,实现了无刷双馈风力发电机系统的变速恒频控制,验证了无刷双馈发电机的有功功率和无功功率的解耦控制。对所提的模糊PI模型参考自适应无速度传感器控制方案进行了速度的跟踪和抗扰动实验,并与普通PI模型参考自适应无速度传感器控制方案进行了对比,实验验证了所提出控制方案的正确性和可行性。最后在相同直流侧电容容量的情况下,验证了内模与功率前馈复合控制对抑制直流侧的电压波动的优越性。

全文目录

致谢  9-10
摘要  10-12
Abstract  12-20
第一章绪论  20-38
  1.1 研究BDFG的背景和意义  20-27
    1.1.1 发展风力发电产业的意义和必要性  20-24
    1.1.2 风力发电系统的几种变速恒频控制方案  24-27
  1.2 无刷双馈电机的发展与研究状况  27-36
    1.2.1 无刷双馈电机本体的发展过程  27-29
    1.2.2 无刷双馈电机的建模和控制方法的国内外研究现状  29-35
    1.2.3 BDFG存在的问题  35-36
  1.3 课题的主要研究内容和创新点  36-38
    1.3.1 课题研究的内容  36-37
    1.3.2 本课题创新点  37-38
第二章无刷双馈发电机的数学建模  38-60
  2.1 BDFG的转子结构  38-40
  2.2 无刷双馈电机运行探讨  40-43
    2.2.1 转子绕组反相序连接  40-42
    2.2.2 转子绕组同相序连接  42-43
  2.3 无刷双馈发电机变速恒频发电  43-44
  2.4 无刷双馈风力发电机的能量变换关系分析  44-49
    2.4.1 异步电机的转差率  44
    2.4.2 定义无刷双馈电机的转差率  44-45
    2.4.3 BDFG不同工作区间的功率分析  45-49
  2.5 BDFG的几种动态数学模型  49-59
    2.5.1 三相静止坐标系下的数学模型  49-52
    2.5.2 转子速两相旋转坐标系下的数学模型  52-55
    2.5.3 双同步速两相旋转坐标系下的模型  55-56
    2.5.4 功率绕组两相静止坐标系下的数学模型  56-58
    2.5.5 不同坐标系下的数学模型对比  58-59
  2.6 本章小结  59-60
第三章基于模型参考自适应无速度传感器矢量控制策略研究  60-98
  3.1 引言  60
  3.2 BDFG双同步速磁场定向控制策略  60-68
    3.2.1 BDFG双同步速功率绕组定子磁场定向控制  60-62
    3.2.2 BDFG空载并网控制  62-64
    3.2.3 BDFG双同步速功率绕组定子磁场定向并网发电控制  64-68
  3.3 BDFG无速度传感器控制  68-90
    3.3.1 BDFG速度估计方法  69-73
    3.3.2 BDFG无速度传感器并网前空载励磁控制  73-74
    3.3.3 基于MRAS的静止坐标系下无速度传感器控制  74-81
    3.3.4 BDFG在双同步速旋转坐标系下的MRAS无速度传感器控制  81-90
  3.4 基于模糊PI自适应控制的速度估计  90-96
    3.4.1 模糊控制系统的结构设计  90-94
    3.4.2 模糊PI速度估计研究  94-96
  3.5 本章小结  96-98
第四章无刷双馈发电机中双PWU控制器协调控制策略研究  98-118
  4.1 双PWM变换器系统及控制  99-107
    4.1.1 双PWM变换器模型及独立控制  99-102
    4.1.2 直流侧电容设计  102-104
    4.1.3 负载电流前馈控制  104-105
    4.1.4 直接电容电流前馈控制  105-107
  4.2 内模控制与前馈控制的复合控制  107-111
    4.2.1 内模控制的原理及其性质  107-109
    4.2.2 电流环内模控制  109-111
    4.2.3 电压环内模控制  111
  4.3 减小直流侧电容研究  111-116
    4.3.1 小信号模型的分析  111-113
    4.3.2 仿真对比  113-116
  4.4 本章小结  116-118
第五章控制系统设计与实验研究  118-136
  5.1 引言  118
  5.2 BDFG矢量控制系统的构成  118-126
    5.2.1 BDFG矢量控制硬件系统构成  118-122
    5.2.2 BDFG矢量控制软件系统构成  122-126
  5.3 BDFG无速度传感器矢量控制系统实验研究  126-134
  5.4 本章小结  134-136
第六章总结和展望  136-138
参考文献  138-147
附录  147-148
攻读博士学位期间发表的论文  148

无刷双馈风力发电机无速度传感器控制的研究

内容摘要

全文目录

相似论文