【摘要】：從全球范圍來(lái)看,風(fēng)電電價(jià)下調(diào)并實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)是能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì),所以需要不斷探索創(chuàng)新技術(shù)以降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制造與運(yùn)維成本,提高其在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。有刷雙饋是風(fēng)力發(fā)電中最有效的運(yùn)行方案之一,但是電刷與滑環(huán)的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性。新型無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可在保留傳統(tǒng)有刷雙饋系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化運(yùn)行,是應(yīng)對(duì)風(fēng)電市場(chǎng)成本壓力與可靠性需求的一種有效解決方案,并逐漸成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。然而,無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理較為復(fù)雜,相應(yīng)的控制方法并不成熟,這也是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一�，F(xiàn)有無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制器基本都是將其近似為有刷雙饋電機(jī)控制機(jī)理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),兩者之間沒(méi)有明顯的區(qū)分。無(wú)刷雙饋電機(jī)的無(wú)刷化和雙端口饋電是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的定轉(zhuǎn)子來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其結(jié)構(gòu)和電磁特性相較于有刷雙饋電機(jī)更為復(fù)雜,若是將其近似為有刷雙饋電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制,可能存在潛在的問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)。本課題旨在通過(guò)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的輸出電壓模型、電流環(huán)模型、功率模型及虛擬功率模型進(jìn)行推導(dǎo)與分析,提出適用于無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制方法。論文主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:1.闡述了課題的研究背景,系統(tǒng)地綜述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究歷史、最新進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)介紹了無(wú)刷雙饋電機(jī)及相應(yīng)控制策略的發(fā)展歷程,并探討了無(wú)刷雙饋電機(jī)的潛在應(yīng)用前景。2.介紹了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理,并推導(dǎo)了電機(jī)在任意速坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)模型。首次建立了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)考慮飽和效應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型,并提出了動(dòng)態(tài)模型的數(shù)值仿真實(shí)現(xiàn)方法�；诘刃щ娐贩▽�(shí)驗(yàn)測(cè)量了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)主要的電氣參數(shù),分析了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的不同運(yùn)行方式,并結(jié)合理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的交叉耦合特性和勵(lì)磁特性。3.針對(duì)雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng),詳細(xì)說(shuō)明了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。推導(dǎo)了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的電壓輸出模型,并揭示了電機(jī)在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的控制機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出了基于勵(lì)磁電流控制的獨(dú)立運(yùn)行控制器,不僅簡(jiǎn)化了電壓外環(huán)的設(shè)計(jì),還可提高獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)的硬度,降低負(fù)載突變對(duì)輸出電壓的影響。此外,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)的性能及獨(dú)立運(yùn)行控制器的有效性。4.推導(dǎo)并分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的電流環(huán)模型,指出傳統(tǒng)簡(jiǎn)化模型不能精確反映實(shí)際電流環(huán)的特性�；陔娏鳝h(huán)的完整模型提出了一種改進(jìn)的電流前饋控制方法,該方法能等效切斷復(fù)雜的反饋回路,使得相應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)被等效簡(jiǎn)化。此外,對(duì)比分析了傳統(tǒng)電流控制器和改進(jìn)電流前饋控制器的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能,表明改進(jìn)電流前饋控制器具有更好的穩(wěn)定性和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)電流前饋控制器的優(yōu)越性。5.首次推導(dǎo)了無(wú)刷雙饋電機(jī)在任意速坐標(biāo)系下的的功率預(yù)測(cè)模型,在此基礎(chǔ)上提出了適用于無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率模型預(yù)測(cè)控制器。該控制器無(wú)需調(diào)節(jié)參數(shù)且不限制于某一特定坐標(biāo)系,具有高度的靈活性和通用性。此外,控制器沒(méi)有對(duì)電氣模型做任何簡(jiǎn)化或者線性化,無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子閉合回路的影響也被涵蓋在功率預(yù)測(cè)模型里,有利于功率的精確控制和解耦控制。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了功率模型預(yù)測(cè)控制器的有效性。6.首次推導(dǎo)了無(wú)刷雙饋電機(jī)的虛擬功率模型,并詳細(xì)分析了虛擬功率的控制特性,在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的同步并網(wǎng)控制器。該控制器可保證并網(wǎng)前后控制結(jié)構(gòu)的一致性,只需改變一個(gè)磁鏈反饋支路即可實(shí)現(xiàn)兩種控制模式之間的切換,可以實(shí)現(xiàn)快速平滑并網(wǎng)及有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)虛擬功率模型預(yù)測(cè)控制器的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。7.基于dSPACE DS1103建立了無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),為無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了軟硬件基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM614
【圖文】：

比已達(dá)有史以來(lái)的最高水平（14.6%），世界能源消費(fèi)仍是以化石燃料為主導(dǎo)，且能源消費(fèi)期內(nèi)很難改變[3]。在 2016 年，中國(guó)清潔能源份額為 13.0%，雖低于 14.6%的世界平均水近年來(lái)中國(guó)清潔能源發(fā)展得很快。從 2012年至 2016 年，中國(guó)清潔能源增額為 3.7%，遠(yuǎn)高均增額 1.5%，中國(guó)能源正在快步走向清潔能源。值得一提的是，2016 年，中國(guó)可再生能量居世界第一（約為 1300 TWh），比美國(guó)高出 1.3 倍多，另外，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、地太陽(yáng)能熱水器等都位居世界第一[4]�？v觀全球能源的發(fā)展，其能源結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷向清潔低轉(zhuǎn)變。在漸進(jìn)轉(zhuǎn)型的情景下，可再生能源將是增長(zhǎng)最快的能源，預(yù)計(jì) 2040 年將占超過(guò)源供給增量，在所有能源來(lái)源中占比最高[5]。016年的全球可再生能源增長(zhǎng)中，超過(guò)一半源于風(fēng)能的增長(zhǎng)[2]。在全球范圍內(nèi)，風(fēng)能廣泛存豐富，全球風(fēng)能總量約為 2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能約為 2.74×107MW，比地球上用的水能總量還要大 10倍[6]。同時(shí)風(fēng)能還兼具易開(kāi)采、清潔無(wú)污染、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、經(jīng)濟(jì)競(jìng)的特性，所以有效利用風(fēng)能是很多國(guó)家首選的可再生能源發(fā)展方向。作為利用風(fēng)能的最有風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。圖 1 1 顯示了自 2001 年至 2017 年的全球風(fēng)電總裝機(jī)容以每年超過(guò) 10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)，截止 2017 年，全球總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到 539.123 GW。020 年，全球總裝機(jī)容量將達(dá)到約 840 GW[7]。圖 1 2 所示為自 2001 年至 2017 年的全球風(fēng)裝機(jī)容量[7]，雖然總裝機(jī)容量穩(wěn)步增長(zhǎng)，年新增裝機(jī)容量自 2015 年達(dá)到最高峰 63.633 GW一直呈逐年遞減的發(fā)展趨勢(shì)。2016 年的新增裝機(jī)容量為 54.642 GW，比 2015 年同比下滑2017 年的新增裝機(jī)容量為 52.492 GW，比 2016 年同比下滑 3.8%。.000539.123

第 3章 雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究FIM 樣機(jī)的主要部件如圖 3 10 所示，詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)附錄 B.1，主要的電DFIM 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 3 11 所示，主要有原動(dòng)機(jī)、雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)CE DS1103 控制器、三相交流電源、雙向直流電源、濾波器、光電編碼器、成。DS-BDFIM 的功率繞組與負(fù)載相連，控制繞組通過(guò)功率變換器與雙向組電流和電壓、控制繞組電流和直流母線電壓直接通過(guò)電壓傳感器（LV25 25 p）測(cè)量得到�？刂评@組電壓由測(cè)量的直流母線電壓和變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)壓由雙向直流電源維持在約為 400 V。為了兼顧穩(wěn)態(tài)性能和處理器的運(yùn)S1103 控制器的采樣周期設(shè)置為 100 μs。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 張愛(ài)玲;熊光煜;劉振富;王建華;周贊強(qiáng);;無(wú)刷雙饋電機(jī)能量傳遞關(guān)系和功率因數(shù)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2011年06期

2 陳亦哲;楊俊華;吳捷;;無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模糊自抗擾最大風(fēng)能捕獲控制[J];電機(jī)與控制應(yīng)用;2010年08期

3 張先勇;舒杰;吳捷;;無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自抗擾功率解耦控制[J];太陽(yáng)能學(xué)報(bào);2008年12期

4 江澤民;;對(duì)中國(guó)能源問(wèn)題的思考[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2008年03期

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1 韓鵬;雙定子無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制[D];東南大學(xué);2017年

2 程鵬;雙饋風(fēng)電機(jī)組直接諧振與無(wú)鎖相環(huán)運(yùn)行控制研究[D];浙江大學(xué);2016年

3 陳昕;無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及電機(jī)在獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[D];華中科技大學(xué);2016年

4 劉光軍;繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)電磁分析和瞬態(tài)模型研究[D];華中科技大學(xué);2016年

5 劉毅;無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)控制方法研究[D];華中科技大學(xué);2015年

6 熊飛;繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)建模分析和電磁設(shè)計(jì)研究[D];華中科技大學(xué);2010年

7 張鳳閣;磁場(chǎng)調(diào)制式無(wú)刷雙饋電機(jī)研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);1999年

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1 駱仁松;無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D];東南大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2713048