本文選題：風(fēng)力機(jī)模擬　切入點：縮比模型　出處：《南京航空航天大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)采用電動機(jī)模擬真實風(fēng)場環(huán)境下風(fēng)力機(jī)的輸出特性,以驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行,其不受自然環(huán)境限制,可靈活地設(shè)定實驗條件,有效地提高了研究效率,是實驗室環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的基礎(chǔ)。無刷直流電機(jī)具有功率密度高、控制簡單的優(yōu)點,基于無刷直流電機(jī)實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)特性模擬時,有利于簡化系統(tǒng)的控制復(fù)雜性;同時對于優(yōu)化無刷直流電機(jī)的控制性能、拓展其應(yīng)用范圍也具有重要的理論和應(yīng)用價值。本文的研究內(nèi)容緊密圍繞基于無刷直流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的控制技術(shù)展開,結(jié)合理論推導(dǎo)、仿真分析和實驗驗證等方法,重點對風(fēng)力機(jī)建模、動靜態(tài)特性的模擬策略、模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性、模擬準(zhǔn)確性以及采用無刷直流電機(jī)作為模擬電機(jī)時的控制方法進(jìn)行了研究。風(fēng)力機(jī)特性模擬需要建立實際風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,以提供模擬參考。為此首先對風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的建模展開研究,采用適于隨機(jī)信號描述的自回歸模型構(gòu)建了隨機(jī)風(fēng)速模型,并基于曲線擬合的方法得到了GE1.5MW風(fēng)力機(jī)的氣動功率模型。在此基礎(chǔ)上,提出基于相似原理和標(biāo)幺值方程一致準(zhǔn)則構(gòu)建大功率風(fēng)力機(jī)縮比模型的建模方法,以縮比后的風(fēng)力機(jī)模型作為模擬參考,可使小功率電機(jī)反映實際大功率風(fēng)力機(jī)的運行特性,提高了模擬可信度。在構(gòu)建了實際機(jī)組的數(shù)學(xué)模型后,考慮摩擦系數(shù)差異對穩(wěn)態(tài)時機(jī)械功率輸出的影響,采用機(jī)電類比的方法,推導(dǎo)了基于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的風(fēng)力機(jī)穩(wěn)態(tài)特性模擬策略,并對采用無刷直流電機(jī)實現(xiàn)該模擬策略時的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法進(jìn)行了研究。為解決無刷直流電機(jī)非理想梯形波反電動勢對其轉(zhuǎn)矩控制的影響,設(shè)計了滑模觀測器對反電動勢進(jìn)行實時觀測;定量分析了電阻、電感參數(shù)偏差對觀測結(jié)果和轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果的影響;并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,提出了電機(jī)定子參數(shù)的在線辨識方法,從而有效地增強(qiáng)了滑模觀測器的參數(shù)抗擾性與觀測精度。在此基礎(chǔ)上,對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)調(diào)制策略進(jìn)行研究,推導(dǎo)了每個開關(guān)周期所需的占空比值,并將反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩觀測值用于占空比計算,提高了非理想反電動勢情況下,無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)跟蹤性能。風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性的模擬需要補償模擬電機(jī)與實際風(fēng)機(jī)之間轉(zhuǎn)動慣量的差異,且補償量正比于系統(tǒng)加速度。為準(zhǔn)確獲取無刷直流電機(jī)的加速度值,提出以反電動勢歸一化值作為位置信號源,利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器從中估計電機(jī)加速度的方法。估計算法中所需的反電動勢來自于滑模觀測結(jié)果,而歸一化處理可減小信號中的高次諧波含量并消除轉(zhuǎn)速和磁鏈系數(shù)的影響,從而有利于位置信號的提取以實現(xiàn)加速度估計;同時估計算法考慮了電磁轉(zhuǎn)矩對加速度的影響,使得估計結(jié)果具有較快的響應(yīng)速度。在實現(xiàn)加速度的準(zhǔn)確獲取后,對這種動態(tài)特性模擬策略的適用范圍進(jìn)行研究。首次對離散化控制作用下的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,通過推導(dǎo)模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù),給出了可模擬的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動慣量最大值。為拓展轉(zhuǎn)動慣量的模擬范圍,推導(dǎo)了加速度反饋回路增加低通濾波器后的系統(tǒng)特征根,闡述了濾波對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有益作用,并對保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最小濾波時間常數(shù)進(jìn)行了計算。在此基礎(chǔ)上,采用頻域特性曲線對比的方法,分析模擬系統(tǒng)在離散化控制和濾波器作用下的模擬準(zhǔn)確性,得到了可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實際風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性的頻帶范圍。加速度反饋的模擬策略在實現(xiàn)大慣量風(fēng)力機(jī)模擬時,必須增加低通濾波器以保證系統(tǒng)穩(wěn)定但會降低模擬準(zhǔn)確性。為解決穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性之間的矛盾,提出了基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測的風(fēng)力機(jī)模擬策略,并對采用該模擬策略后的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性與模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行了詳細(xì)分析。設(shè)計了滑模狀態(tài)觀測器對模擬策略中所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行實時觀測,并分析了機(jī)械參數(shù)偏差對觀測結(jié)果的影響;根據(jù)觀測誤差與參數(shù)偏差的符號關(guān)系,提出了兩段式的機(jī)械參數(shù)辨識方法,實現(xiàn)了摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)動慣量的獨立辨識,從而可有效地避免參數(shù)誤差對模擬效果產(chǎn)生的不利影響。在此基礎(chǔ)上,對模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)與分析,分析結(jié)果表明,采用該模擬策略后,模擬系統(tǒng)與實際風(fēng)力機(jī)具有相同的判穩(wěn)條件,離散化控制不會引入額外的不穩(wěn)定因素;相較于加速度反饋的模擬策略,基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測的模擬策略穩(wěn)定性更高,且可在更寬的頻帶范圍內(nèi)準(zhǔn)確地模擬實際風(fēng)力機(jī)特性。最后,采用實時仿真器RT-LAB作為控制器,設(shè)計了無刷直流電機(jī)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的實驗平臺,為驗證電機(jī)控制方法、風(fēng)力機(jī)模擬策略和相關(guān)分析結(jié)論的正確性提供了可靠的實驗條件;相關(guān)實驗結(jié)果表明該模擬平臺靈活度高、具有較強(qiáng)的拓展性,為實驗室進(jìn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)的研究提供了有力的保障。
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【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM33;TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1650942