双定子无刷双馈风力发电系统的控制技术研究

发布时间：2020-06-14 16:23

【摘要】：从全球范围来看,风电电价下调并实现平价上网是能源产业发展的大趋势,所以需要不断探索创新技术以降低风力发电系统的制造与运维成本,提高其在电力市场的竞争力。有刷双馈是风力发电中最有效的运行方案之一,但是电刷与滑环的存在严重影响了系统的可靠性。新型无刷双馈风力发电系统可在保留传统有刷双馈系统优点的同时,实现无刷化运行,是应对风电市场成本压力与可靠性需求的一种有效解决方案,并逐渐成为近年来的研究热点。然而,无刷双馈电机的结构与工作原理较为复杂,相应的控制方法并不成熟,这也是制约其发展的关键问题之一。现有无刷双馈电机的控制器基本都是将其近似为有刷双馈电机控制机理来进行设计,两者之间没有明显的区分。无刷双馈电机的无刷化和双端口馈电是通过设计特殊的定转子来实现的,其结构和电磁特性相较于有刷双馈电机更为复杂,若是将其近似为有刷双馈电机来进行控制,可能存在潜在的问题与风险。本课题旨在通过对无刷双馈电机的输出电压模型、电流环模型、功率模型及虚拟功率模型进行推导与分析,提出适用于无刷双馈电机的控制方法。论文主要研究成果包括以下几个方面:1.阐述了课题的研究背景,系统地综述了风力发电系统的研究历史、最新进展和未来发展趋势,重点介绍了无刷双馈电机及相应控制策略的发展历程,并探讨了无刷双馈电机的潜在应用前景。2.介绍了双定子无刷双馈电机的结构及工作原理,并推导了电机在任意速坐标系下的动态模型。首次建立了双定子无刷双馈电机考虑饱和效应的动态模型,并提出了动态模型的数值仿真实现方法。基于等效电路法实验测量了双定子无刷双馈电机主要的电气参数,分析了双定子无刷双馈电机的不同运行方式,并结合理论分析、仿真研究和实验结果分析了双定子无刷双馈电机的交叉耦合特性和励磁特性。3.针对双定子无刷双馈电机的独立运行发电系统,详细说明了其系统结构和运行原理。推导了双定子无刷双馈电机的电压输出模型,并揭示了电机在独立运行时的控制机理,在此基础上提出了基于励磁电流控制的独立运行控制器,不仅简化了电压外环的设计,还可提高独立运行发电系统的硬度,降低负载突变对输出电压的影响。此外,通过仿真和实验验证了双定子无刷双馈电机的性能及独立运行控制器的有效性。4.推导并分析了无刷双馈电机的电流环模型,指出传统简化模型不能精确反映实际电流环的特性。基于电流环的完整模型提出了一种改进的电流前馈控制方法,该方法能等效切断复杂的反馈回路,使得相应控制器的设计被等效简化。此外,对比分析了传统电流控制器和改进电流前馈控制器的稳定性和动态性能,表明改进电流前馈控制器具有更好的稳定性和更快的动态响应,并通过实验验证了改进电流前馈控制器的优越性。5.首次推导了无刷双馈电机在任意速坐标系下的的功率预测模型,在此基础上提出了适用于无刷双馈电机的功率模型预测控制器。该控制器无需调节参数且不限制于某一特定坐标系,具有高度的灵活性和通用性。此外,控制器没有对电气模型做任何简化或者线性化,无刷双馈电机转子闭合回路的影响也被涵盖在功率预测模型里,有利于功率的精确控制和解耦控制。通过仿真和实验验证了功率模型预测控制器的有效性。6.首次推导了无刷双馈电机的虚拟功率模型,并详细分析了虚拟功率的控制特性,在此基础上提出了一种适用于无刷双馈风力发电系统的同步并网控制器。该控制器可保证并网前后控制结构的一致性,只需改变一个磁链反馈支路即可实现两种控制模式之间的切换,可以实现快速平滑并网及有功功率和无功功率的解耦控制。通过仿真和实验对虚拟功率模型预测控制器的有效性进行了验证。7.基于dSPACE DS1103建立了无刷双馈风力发电系统的实验测试平台,为无刷双馈风力发电控制系统的实验验证提供了软硬件基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM614
【图文】：

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比已达有史以来的最高水平（14.6%），世界能源消费仍是以化石燃料为主导，且能源消费期内很难改变[3]。在 2016 年，中国清洁能源份额为 13.0%，虽低于 14.6%的世界平均水近年来中国清洁能源发展得很快。从 2012年至 2016 年，中国清洁能源增额为 3.7%，远高均增额 1.5%，中国能源正在快步走向清洁能源。值得一提的是，2016 年，中国可再生能量居世界第一（约为 1300 TWh），比美国高出 1.3 倍多，另外，风力发电、光伏发电、地太阳能热水器等都位居世界第一[4]。纵观全球能源的发展，其能源结构正在经历向清洁低转变。在渐进转型的情景下，可再生能源将是增长最快的能源，预计 2040 年将占超过源供给增量，在所有能源来源中占比最高[5]。016年的全球可再生能源增长中，超过一半源于风能的增长[2]。在全球范围内，风能广泛存丰富，全球风能总量约为 2.74×109MW，其中可利用的风能约为 2.74×107MW，比地球上用的水能总量还要大 10倍[6]。同时风能还兼具易开采、清洁无污染、产业基础好、经济竞的特性，所以有效利用风能是很多国家首选的可再生能源发展方向。作为利用风能的最有风力发电近年来得到了迅速发展。图 1 1 显示了自 2001 年至 2017 年的全球风电总装机容以每年超过 10%的速度稳步增长，截止 2017 年，全球总装机容量已经达到 539.123 GW。020 年，全球总装机容量将达到约 840 GW[7]。图 1 2 所示为自 2001 年至 2017 年的全球风装机容量[7]，虽然总装机容量稳步增长，年新增装机容量自 2015 年达到最高峰 63.633 GW一直呈逐年递减的发展趋势。2016 年的新增装机容量为 54.642 GW，比 2015 年同比下滑2017 年的新增装机容量为 52.492 GW，比 2016 年同比下滑 3.8%。.000539.123

照片,主要部件,样机,实物

第 3章双定子无刷双馈风力发电系统及其控制研究定子无刷双馈风力发电系统的实验研究FIM 样机的主要部件如图 3 10 所示，详细的设计参数见附录 B.1，主要的电DFIM 系统实验平台如图 3 11 所示，主要有原动机、双定子无刷双馈电机CE DS1103 控制器、三相交流电源、双向直流电源、滤波器、光电编码器、成。DS-BDFIM 的功率绕组与负载相连，控制绕组通过功率变换器与双向组电流和电压、控制绕组电流和直流母线电压直接通过电压传感器（LV25 25 p）测量得到。控制绕组电压由测量的直流母线电压和变换器的开关状态压由双向直流电源维持在约为 400 V。为了兼顾稳态性能和处理器的运S1103 控制器的采样周期设置为 100 μs。

【参考文献】