本文關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電 變速恒頻 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī) 變流器 矢量控制 無(wú)速度傳感器 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)　出處：《合肥工業(yè)大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：風(fēng)力發(fā)電作為具有較大潛能的可再生能源開(kāi)發(fā)形式,近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的研究,其中雙饋型變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了較快的發(fā)展。目前在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)多為由金屬和石墨復(fù)合的有刷結(jié)構(gòu),電刷和滑環(huán)之間長(zhǎng)期保持適度潤(rùn)滑很困難。另外,電刷的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨屑,需要定期清理。這種復(fù)合材料對(duì)濕度非常敏感,相對(duì)濕度低于15%或高于85%,易于導(dǎo)致磨損不均。有刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的滑環(huán)和電刷甚至需要每年更換一次。海上風(fēng)電場(chǎng)因濕度大,維修需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),費(fèi)用約為陸上的兩倍,這為海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用有刷雙饋電機(jī)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)省去電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu),其維護(hù)方便,性能更加可靠,尤其適用于環(huán)境更加惡劣的海上風(fēng)電場(chǎng)。目前無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)已經(jīng)一些研究,但針對(duì)其無(wú)速度傳感器控制的研究相對(duì)較少,本文就無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行的主要研究工作可概括如下： 1、由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的性能,繞線轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了低諧波磁動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體利用率高,具有更好的實(shí)用性。本文采用變極法繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,闡述了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理,分析了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)在亞同步速、同步速和超同步速不同工作區(qū)間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了減少求解變量,更好地探討無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制規(guī)律,在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,將功率側(cè)與控制側(cè)均相對(duì)于以轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系靜止,建立了轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由于控制繞組直接與機(jī)側(cè)變換器連接,為了實(shí)現(xiàn)矢量控制,將功率側(cè)和控制側(cè)分別與其本身的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步,建立了雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型。 2、安裝測(cè)速編碼器會(huì)增加硬件維護(hù),使電機(jī)軸向上體積增大,并且安裝時(shí)存在同心度的問(wèn)題。同時(shí),風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)放在塔架底部,通常需要超過(guò)100m長(zhǎng)的傳輸線,光電編碼器工作易受高溫、高濕環(huán)境的影響,降低了系統(tǒng)工作的可靠性。為了克服安裝測(cè)速編碼器不良影響,使系統(tǒng)更能適用于惡劣的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境,針對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組復(fù)雜的電磁關(guān)系,以雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系,提出了一種使用于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的模型參考自適應(yīng)的速度估計(jì)方法。通過(guò)觀測(cè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率繞組定子磁鏈,克服了傳統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)采用靜止坐標(biāo)系建立參考模型時(shí)存在純積分計(jì)算帶來(lái)的積分初值以及直流偏移的不足,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的估計(jì)。 3、針對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)是一個(gè)多階非線性的復(fù)雜系統(tǒng),傳統(tǒng)模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)時(shí)比例、積分參數(shù)固定,不能使控制系統(tǒng)性能保持在最佳范圍,提出了模糊PI模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)方法。對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組定子側(cè)有功電流以及比例、積分參數(shù)等影響估算速度性能的因素,在小信號(hào)模型中進(jìn)行了分析。模糊PI模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)方法在發(fā)電機(jī)的不同工況時(shí)調(diào)節(jié)比例、積分參數(shù),使無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速估計(jì)的過(guò)程中對(duì)速度變化的跟隨性和轉(zhuǎn)矩電流變化的抗干擾性都得到提高,改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真研究,對(duì)比分析了模糊PI無(wú)速度傳感器控制與常規(guī)PI無(wú)速度傳感器控制的控制性能,驗(yàn)證了所提出轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的可行性和有效性。 4、背靠背變流器系統(tǒng)中的直流側(cè)電容與系統(tǒng)中的其他原件相比壽命要短幾個(gè)數(shù)量級(jí),為了減小變換器中的電容容量并且穩(wěn)定直流側(cè)的電壓,提出了雙向變換器內(nèi)模-前饋復(fù)合控制方案設(shè)計(jì)。首先闡述了無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)的背靠背變流器中的網(wǎng)側(cè)變流器的控制原理,并就獨(dú)立控制方案設(shè)計(jì)了電容的容量。然后在相同的直流側(cè)電壓波動(dòng)的條件下,為了進(jìn)一步減少直流側(cè)的電容容量,將機(jī)側(cè)的功率變化量通過(guò)前饋引入網(wǎng)側(cè)變換器,并且利用內(nèi)�？刂苼�(lái)減小延遲,加快對(duì)給定量的跟隨。分析了該方案能在相同的電容容量的情況下減小電壓的波動(dòng),驗(yàn)證了所提出的復(fù)合控制方案的可行性。 5、在理論研究的基礎(chǔ)上,以兩片DSP為控制核心搭建了背靠背變流器,組成了5KW無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用普通交流異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)用的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī),實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變速恒頻控制,驗(yàn)證了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。對(duì)所提的模糊PI模型參考自適應(yīng)無(wú)速度傳感器控制方案進(jìn)行了速度的跟蹤和抗擾動(dòng)實(shí)驗(yàn),并與普通PI模型參考自適應(yīng)無(wú)速度傳感器控制方案進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出控制方案的正確性和可行性。最后在相同直流側(cè)電容容量的情況下,驗(yàn)證了內(nèi)模與功率前饋復(fù)合控制對(duì)抑制直流側(cè)的電壓波動(dòng)的優(yōu)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 .

【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1545935