基于永磁无刷直流电动机的风力机模拟系统研究

发布时间：2018-03-22 23:38

本文选题：风力机模拟　切入点：缩比模型　出处：《南京航空航天大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：风力机模拟系统采用电动机模拟真实风场环境下风力机的输出特性,以驱动风力发电机运行,其不受自然环境限制,可灵活地设定实验条件,有效地提高了研究效率,是实验室环境下进行风力发电技术研究的基础。无刷直流电机具有功率密度高、控制简单的优点,基于无刷直流电机实现风力机特性模拟时,有利于简化系统的控制复杂性;同时对于优化无刷直流电机的控制性能、拓展其应用范围也具有重要的理论和应用价值。本文的研究内容紧密围绕基于无刷直流电机的风力机模拟系统的控制技术展开,结合理论推导、仿真分析和实验验证等方法,重点对风力机建模、动静态特性的模拟策略、模拟系统稳定性、模拟准确性以及采用无刷直流电机作为模拟电机时的控制方法进行了研究。风力机特性模拟需要建立实际风机系统的数学模型,以提供模拟参考。为此首先对风速、风力机和传动机构的建模展开研究,采用适于随机信号描述的自回归模型构建了随机风速模型,并基于曲线拟合的方法得到了GE1.5MW风力机的气动功率模型。在此基础上,提出基于相似原理和标幺值方程一致准则构建大功率风力机缩比模型的建模方法,以缩比后的风力机模型作为模拟参考,可使小功率电机反映实际大功率风力机的运行特性,提高了模拟可信度。在构建了实际机组的数学模型后,考虑摩擦系数差异对稳态时机械功率输出的影响,采用机电类比的方法,推导了基于转矩闭环控制的风力机稳态特性模拟策略,并对采用无刷直流电机实现该模拟策略时的转矩闭环控制方法进行了研究。为解决无刷直流电机非理想梯形波反电动势对其转矩控制的影响,设计了滑模观测器对反电动势进行实时观测;定量分析了电阻、电感参数偏差对观测结果和转矩计算结果的影响;并基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了电机定子参数的在线辨识方法,从而有效地增强了滑模观测器的参数抗扰性与观测精度。在此基础上,对无刷直流电机的转矩闭环调制策略进行研究,推导了每个开关周期所需的占空比值,并将反电动势和电磁转矩观测值用于占空比计算,提高了非理想反电动势情况下,无刷直流电机转矩闭环控制的稳态精度与动态跟踪性能。风力机动态特性的模拟需要补偿模拟电机与实际风机之间转动惯量的差异,且补偿量正比于系统加速度。为准确获取无刷直流电机的加速度值,提出以反电动势归一化值作为位置信号源,利用扩展卡尔曼滤波器从中估计电机加速度的方法。估计算法中所需的反电动势来自于滑模观测结果,而归一化处理可减小信号中的高次谐波含量并消除转速和磁链系数的影响,从而有利于位置信号的提取以实现加速度估计;同时估计算法考虑了电磁转矩对加速度的影响,使得估计结果具有较快的响应速度。在实现加速度的准确获取后,对这种动态特性模拟策略的适用范围进行研究。首次对离散化控制作用下的模拟系统稳定性进行了分析,通过推导模拟系统的离散域传递函数,给出了可模拟的风力机转动惯量最大值。为拓展转动惯量的模拟范围,推导了加速度反馈回路增加低通滤波器后的系统特征根,阐述了滤波对提高系统稳定性的有益作用,并对保证系统稳定的最小滤波时间常数进行了计算。在此基础上,采用频域特性曲线对比的方法,分析模拟系统在离散化控制和滤波器作用下的模拟准确性,得到了可准确复现实际风力机动态特性的频带范围。加速度反馈的模拟策略在实现大惯量风力机模拟时,必须增加低通滤波器以保证系统稳定但会降低模拟准确性。为解决稳定性与准确性之间的矛盾,提出了基于负载转矩观测的风力机模拟策略,并对采用该模拟策略后的模拟系统稳定性与模拟准确性进行了详细分析。设计了滑模状态观测器对模拟策略中所需的负载转矩值进行实时观测,并分析了机械参数偏差对观测结果的影响;根据观测误差与参数偏差的符号关系,提出了两段式的机械参数辨识方法,实现了摩擦系数与转动惯量的独立辨识,从而可有效地避免参数误差对模拟效果产生的不利影响。在此基础上,对模拟系统的离散域传递函数进行了推导与分析,分析结果表明,采用该模拟策略后,模拟系统与实际风力机具有相同的判稳条件,离散化控制不会引入额外的不稳定因素;相较于加速度反馈的模拟策略,基于负载转矩观测的模拟策略稳定性更高,且可在更宽的频带范围内准确地模拟实际风力机特性。最后,采用实时仿真器RT-LAB作为控制器,设计了无刷直流电机风力机模拟系统的实验平台,为验证电机控制方法、风力机模拟策略和相关分析结论的正确性提供了可靠的实验条件;相关实验结果表明该模拟平台灵活度高、具有较强的拓展性,为实验室进行风力机发电技术的研究提供了有力的保障。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM33;TM315

【参考文献】