无刷双馈风力发电机无速度传感器控制的研究

发布时间：2018-02-28 05:24

本文关键词： 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　出处：《合肥工业大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【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。
[Abstract]:Wind power generation , which is widely used in variable speed and constant frequency wind power generation system , is more and more extensive in recent years . It is difficult to maintain proper lubrication between brush and slip ring . 1 . Because the rotor structure determines the performance of the brushless doubly - fed generator , the winding rotor realizes the low harmonic magnetic dynamic potential , the conductor utilization rate is high , and has better practicability . In order to reduce the solving variable , the control law of the brushless doubly - fed generator is discussed . In order to reduce the solution variable , the mathematical model of the brushless doubly - fed generator is analyzed . in ord to overcome that adverse effect of a brushless doubly - fed generator on the bottom of the tower , the control subsystem in the wind power generation system is placed on the bottom of the tower , the work of the photoelectric encoder is easy to be influenced by the high temperature and the high humidity environment , and the reliability of the system work is reduced . 3 . For brushless doubly - fed generator is a multi - order nonlinear complex system , the traditional model reference adaptive velocity estimation , the integral parameter is fixed , the performance of the control system can not be kept in the optimal range , and the dynamic response of the system is improved . The fuzzy PI model reference adaptive speed estimation method is used to control the speed change and the torque current variation in the process of rotating speed estimation . The control performance of the fuzzy PI sensorless control and the conventional PI sensorless control is compared and analyzed . The feasibility and effectiveness of the proposed method are verified . 4 . The DC side capacitance in the back - to - back converter system is of the order of magnitude shorter than that of other original elements in the system . In order to reduce the capacitance in the converter and stabilize the voltage on the DC side , the design of the internal model - feed - forward composite control scheme of the bi - directional converter is proposed . 5 . Based on the theory research , the back - to - back converter is built with two DSP as the control core , and the experimental platform of the variable speed constant frequency vector control system of 5KW brushless doubly - fed wind power generator is formed .

【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315

【参考文献】