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《湖南大学》 2011年
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双馈感应风力发电机控制系统关键技术研究

高乐  
【摘要】:随着常规能源短缺和环境污染问题加剧,使得可再生能源特别是风能的开发利用得到世界各国的高度重视。加之电力电子器件制造和技术的飞速发展,大型兆瓦级变速恒频风力发电机组成为了风电机组的技术发展方向。双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)具有转子励磁变频器容量小、成本低,机电系统柔性连接,风能捕获能力强等特点,成为目前世界风电制造商开发的主流机型,其交流励磁控制技术也成为重要的研究方向。 本文对风力发电用双馈感应发电机控制系统的各项关键技术进行了详细说明,建立了基于定子磁链定向的双馈感应发电机矢量控制模型,实现了电机变速驱动和有功/无功功率解耦控制。然后采用模型参考自适应(Model Reference Adaptive System, MRAS)速度辨识技术,实现了双馈感应发电机无速度传感器控制。 为验证理论分析的正确性,以50kW的双馈感应发电机为例设计一套控制系统。通过在电动机运行工况下的转速控制实验和在发电机运行工况下的功率控制实验,验证了估测的转子位置和转速在不同转速和功率工况下的稳定性和准确度。仿真和实验结果可以看出,将基于MRAS的转速辨识模型应用到双馈感应发电机的矢量控制系统是可行的,系统具有良好的稳态精度和动态性能,对实现双馈感应发电机无速度传感器控制有参考意义。本文主要研究内容和创新性的成果如下: 1)双馈感应发电机的矢量控制策略是整个控制系统的核心。基于双馈感应发电机的数学模型,推导出在电动机运行工况下的转矩/转速控制,以及在发电机运行工况下的有功/无功解耦控制。并且,得出了双馈感应发电机的T型等效电路,并且分析了在各种工况下的双馈感应电机的12种运行模式。 2)对于电网友好型无冲击并网控制技术进行了研究。建立了双馈感应发电机空载工况下的数学模型,在此基础上对双馈感应发电机的准同期并网控制策略进行了研究,并且描述了自同期并网控制技术。 3)变速恒频风力发电技术中,能量双向流动变流器是风力发电系统最核心的控制部件。提出了直流母线电压稳定的重要性,建立了网侧变流器(Grid Side Inverter, GSI)的数学模型,在此基础上推导出网侧变流器的直流母线电压闭环的矢量控制策略,并且对网侧变流器滤波器类型选择和参数设计进行了分析,得到最优的LC滤波器参数值。 4)近年来,双馈感应发电机的无速度传感器矢量控制技术一直是研究热点。无速度传感器技术有诸多优点:降低系统成本,无需安装和维护转子位置传感器,提高系统可靠性,更加适应于在恶劣环境下工作。本文对基于定子磁链的双馈感应发电机速度辨识技术进行了研究,虽然该方法具有良好的动静态性能,但是,该方法有一个缺点,就是必须由转子励磁。当转子电流ir'为零时,ψs=Lsis,不含估测转子角度θr项,无法正确辨识转子位置。因此,针对这个问题,本文提出一种新的基于转子电流的双馈感应发电机速度辨识技术,将测量得到的转子电流作为参考模型,定子电压和电流估测得到的转子电流作为可调模型,通过比例积分(Proportional-intergral, PI)控制器获取转子位置和转速信息。通过空载变速实验和有功/无功解耦控制实验,证明所提出的无速度传感器控制系统在转子电流为零时依然可以正常工作,具有较强的鲁棒性和令人满意的动静态性能。 5)在MATLAB/SIMULINK仿真平台下,利用SimPowerSystem工具箱提供的丰富的电力系统、电力电子常用元器件,根据真实的硬件平台,以50kW的双馈感应发电机为例搭建仿真系统的主回路仿真建模。参照TI公司提供的代码例程对控制回路进行仿真建模,有一部分控制算法是使用M函数编写,而不是直接采用SimPowerSystem工具箱提供的仿真模块,这样更能真实地还原实验环境。然后,通过电动机运行工况下的转速控制和发电机运行工况下的功率控制实验,验证了模型参考自适应速度辨识方法和网侧变流器直流母线电压闭环控制策略的可行性。 6)为验证理论分析的正确性,以50kW的双馈感应发电机为例,搭建了一套双馈感应发电机实验控制系统。介绍了实验系统硬件平台的配置,对实验过程中的上电和下电顺序进行了说明。在实验结果分析中,首先给出直流母线电容充电过程的电压和电流波形,然后对于控制过程的实验结果进行了分析。实验结果证明该实验控制系统具有较强的鲁棒性和令人满意的动静态性能。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM315

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