无刷双馈发电机独立运行控制策略研究

发布时间：2020-05-08 03:44

【摘要】：风能作为一种清洁、可再生的新能源引起了越来越多的关注,风力发电技术也在全球范围内得到了快速发展。随着电力电子技术的不断进步与成熟,依靠功率变换器的变速恒频风力发电机组逐渐成为主流机型。孤网独立运行是一种重要的发电模式,主要是针对常规电网未能覆盖的地区。另外,微网和分布式发电的概念也要求当电网故障时,区域内的分布式电源能够保证持续不间断地为独立负载供电。双馈发电机(DFIG)是当前风力发电技术的重要发展方向之一,具有广阔的应用前景。无刷双馈发电机(BDFIG)继承了双馈发电机(DFIG)的优点:不使用永磁材料,而且可以用较小容量的变换器实现变速恒频发电运行,因此成本低廉。BDFIG解决了DFIG转子存在集电环电刷的弊端,取消了转子集电环电刷,电机结构更坚固、生产维护成本低,能够适应恶劣环境;而且具有优良的低压穿越能力,更易于满足风电并网规程;但BDFIG内部电磁关系复杂,控制难度很大,目前还存在许多有待解决的控制难题。本文以BDFIG为研究对象,以变速恒频孤网独立运行需求为契机,以突变、不平衡、非线性等非理想负载情况下的运行控制技术为主题,结合理论分析、控制策略推导、仿真和试验验证,进行全面、深入的研究,主要研究内容和创新点为:分析了孤网独立运行系统BDFIG机端电压骤变时的动态特性,指出BDFIG电机PW定子机端电压骤变会产生的PW定子磁链抬升的正序分量、自由分量、负序分量,导致在CW定子中感应出较高的反电动势,危害孤网独立运行系统的运行稳定可靠性,影响电能质量。研究独立运行BDFIG基于矢量控制的CW定子电流指令配置与精准快速跟踪的关键技术问题。提出基于模型预测控制的无差拍CW定子电流基波及谐波统一控制策略,根据前一个采样周期的误差和模型参数直接计算下一个采样周期的参考以消除瞬态误差,提高动态响应。在此基础上,引入积分和指定次广义积分分别补偿电流基波和指定次谐波分量的稳态精度,提升PW定子机端电压电能质量。此外,基于矢量控制提出了一种定频式有限状态模型预测CW定子电流控制,根据CW定子电流模型预测评估基本开关状态表每个电压矢量开关状态对CW定子电流的影响,并通过最小化价值函数,选择和计算每个周期内最佳开关矢量序列的作用时间,保证了恒定开关频率,实现了CW定子电流的精准快速控制。研究独立运行系统BDFIG基于直接控制PW定子电压和磁链指令配置与精准快速跟踪的关键技术问题。提出了基于滑模控制的PW定子电压和磁链基波及谐波统一控制方法,改善鲁棒性和瞬态响应,进一步的采用积分结合指定次广义积分谐振滑模面消除基波及指定次谐波分量的瞬态误差,提高跟踪精度,并且引入边界层消除抖振现象。实现了PW定子机端电压的精准快速控制。重点研究一种独立运行系统BDFIG矢量控制与直接控制的复合控制方案,采用矢量控制方法控制BDFIG基波分量,配置CW定子电流参考及限幅;采用模型预测无差拍电流控制结合积分补偿,实现CW定子电流的精准快速跟踪;采用直接控制方法控制PW定子电压或磁链负序和谐波分量,构造改进的滑模直接谐振控制环,作为对PW定子电压或磁链负序以及谐波分量的反馈补偿,兼顾了机端电压的稳态控制精度和瞬态响应性能。设计了BDFIG仿真和实验系统,仿真和实验结果证明了本文提出的控制策略的可行性和有效性。
【图文】：

未来预测,装机容量,风力发电,全球

全球风力发电装机容量及其未来预测

风力发电系统

图 1.2 风力发电系统组成风力发电系统控制体系[3-4]如图 1.3 所示，，具有三个基本控制层面，需要兼顾并网和离网独立运行与功率变换，风能吸收与载荷抑制、电网故障情况下的稳定运行与保护等多方面的控制目标协调控制。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31

【参考文献】