变速恒频无刷双馈风力发电机直接转矩控制研究

论文摘要

随着经济的快速发展,能源消费逐年增加,常规能源资源面临日益枯竭的窘境,迫切需要一些清洁、无污染、可再生的新能源。在众多的可再生能源和新能源技术开发中,风力发电有着自身独特的优势,具有重要的开发利用价值。而控制技术是风力发电的关键技术之一,直接影响机组的安全与效率,变速恒频发电系统能够最大限度的利用风能,提高风力机的运行效率,是一种高效的能量转换系统,因而被广泛应用。无刷双馈风力发电机是一种特别适合于变速恒频风力发电系统的新型装置,进行无刷双馈风力发电机变速恒频控制技术的研究,对无刷双馈风力发电机在风电领域的推广应用具有重要的理论意义和实用价值。本文对无刷双馈风力发电机和直接转矩控制策略进行了研究。首先从无刷双馈发电机的电磁原理出发,介绍了发电机的亚同步、同步、超同步等几种运行方式,研究了这几种运行方式下的电磁关系及运行状态下的能量流动关系。分析了无刷双馈发电机三相静止坐标系下的数学模型,根据坐标变换理论给出两相旋转坐标系下的数学模型,并在此基础上,给出了一种基于控制绕组坐标系下的无刷双馈发电机的数学模型。为满足无刷双馈风力发电机直接转矩控制系统动态响应速度快、控制性能优良,针对传统直接转矩控制使用滞环控制器来控制磁链和转矩,存在滞环调节有限、低速时转矩脉冲较大和逆变器的开关频率不固定等问题,本文将模糊控制引入到直接转矩控制中,设计了基于模糊直接转矩控制器的直接转矩控制系统。利用模糊控制器分别来代替转矩、磁链滞环控制器,并用遗传算法对模糊控制规则进行了优化,有效的减小了磁链和转矩控制容差。仿真结果表明该方法减小了转矩脉动,提高了系统的控制性能。利用模糊控制建立发电机逆变器的开关状态,能更加合理的选择电压空间矢量,转矩的脉动更小,并提高了发电机的动、静态性能。针对直接转矩控制的关键是磁链的正确控制,根据无刷双馈发电机在低速时如何通过控制电压矢量影响磁链从而引起系统振荡的问题,本文设计了基于自适应辨识的直接转矩控制策略。控制绕组磁链模型采用模型参考自适应观测,转矩滞环控制器采用改进型转矩滞环比较器法。仿真证明该方法在波峰、波谷处电流波形的脉冲较小,磁链辨识准确,验证了该设计方法的可行性和正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 无刷双馈风力发电机的研究现状
• 1.3 国内外直接转矩控制的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 无刷双馈发电机的原理及运行特性研究
• 2.1 无刷双馈电机磁场调制原理
• 2.2 无刷双馈发电机的运行特性研究
• 2.2.1 无刷双馈电机的运行方式
• 2.2.2 最大功率捕获原理
• 2.3 无刷双馈电机在各种工作状态下的能量关系
• 2.3.1 无刷双馈电机的功率及能量流通关系
• 2.3.2 无刷双馈发电机在不同运行状态下的功率流向
• 2.4 无刷双馈发电机的数学模型
• 2.4.1 无刷双馈发电机静止坐标系下的数学模型
• 2.4.2 无刷双馈发电机两相旋转坐标系下的数学模型
• 2.4.3 基于控制绕组旋转坐标系的数学模型
• 3 无刷双馈风力发电机模糊直接转矩控制的研究
• 3.1 无刷双馈发电机直接转矩控制的原理及结构
• 3.1.1 无刷双馈发电机直接转矩控制的原理性分析
• 3.1.2 空间电压矢量与控制绕组磁链的关系
• 3.1.3 控制绕组电压空间矢量的选择
• 3.2 基于遗传算法的模糊直接转矩控制研究
• 3.2.1 模糊控制原理
• 3.2.2 基于遗传算法的模糊控制器设计
• 3.3 无刷双馈发电机模糊直接转矩控制系统的仿真研究
• 3.3.1 控制系统仿真模型的建立
• 3.3.2 系统仿真结果及分析
• 4 基于自适应辨识无刷双馈风力发电机直接转矩控制的研究
• 4.1 控制绕组磁链的观测方法
• 4.2 模型参考自适应控制器的设计
• 4.2.1 模型参考自适应控制器的基本结构
• 4.2.2 模型参考自适应控制器设计方法
• 4.2.3 控制绕组磁链模型参考自适应观测
• 4.3 基于自适应辨识的直接转矩控制系统仿真
• 4.3.1 转矩调节采用改进比较器法的模型
• 4.3.2 速度调节器的模型
• 4.3.3 磁链调节器的模型
• 4.3.4 系统仿真结果的研究
• 4.4 模糊控制和自适应辨识控制性能的仿真对比
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果