雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著常規(guī)能源短缺和環(huán)境污染問題加劇,使得可再生能源特別是風能的開發(fā)利用得到世界各國的高度重視。加之電力電子器件制造和技術(shù)的飛速發(fā)展,大型兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組成為了風電機組的技術(shù)發(fā)展方向。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)具有轉(zhuǎn)子勵磁變頻器容量小、成本低,機電系統(tǒng)柔性連接,風能捕獲能力強等特點,成為目前世界風電制造商開發(fā)的主流機型,其交流勵磁控制技術(shù)也成為重要的研究方向。

2、　　 本文對風力發(fā)電用雙饋感應(yīng)發(fā)電機控制系統(tǒng)的各項關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細說明,建立了基于定子磁鏈定向的雙饋感應(yīng)發(fā)電機矢量控制模型,實現(xiàn)了電機變速驅(qū)動和有功/無功功率解耦控制。然后采用模型參考自適應(yīng)(Model ReferenceAdaptive System,MRAS)速度辨識技術(shù),實現(xiàn)了雙饋感應(yīng)發(fā)電機無速度傳感器控制。
　　 為驗證理論分析的正確性,以50KW的雙饋感應(yīng)發(fā)電機為例設(shè)計一套控制系統(tǒng)。通過在電動機運行工況下的轉(zhuǎn)速控制

3、實驗和在發(fā)電機運行工況下的功率控制實驗,驗證了估測的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速在不同轉(zhuǎn)速和功率工況下的穩(wěn)定性和準確度。仿真和實驗結(jié)果可以看出,將基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識模型應(yīng)用到雙饋感應(yīng)發(fā)電機的矢量控制系統(tǒng)是可行的,系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能,對實現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機無速度傳感器控制有參考意義。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性的成果如下:
　　 1)雙饋感應(yīng)發(fā)電機的矢量控制策略是整個控制系統(tǒng)的核心。基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出在電動機運行工

4、況下的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制,以及在發(fā)電機運行工況下的有功/無功解耦控制。并且,得出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機的T型等效電路,并且分析了在各種工況下的雙饋感應(yīng)電機的12種運行模式。
　　 2)對于電網(wǎng)友好型無沖擊并網(wǎng)控制技術(shù)進行了研究。建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機空載工況下的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上對雙饋感應(yīng)發(fā)電機的準同期并網(wǎng)控制策略進行了研究,并且描述了自同期并網(wǎng)控制技術(shù)。
　　 3)變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)中,能量雙向流動變流器是風力發(fā)電系統(tǒng)最核心的

5、控制部件。提出了直流母線電壓穩(wěn)定的重要性,建立了網(wǎng)側(cè)變流器(Grid SideInverter,GSI)的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出網(wǎng)側(cè)變流器的直流母線電壓閉環(huán)的矢量控制策略,并且對網(wǎng)側(cè)變流器濾波器類型選擇和參數(shù)設(shè)計進行了分析,得到最優(yōu)的LC濾波器參數(shù)值。
　　 4)近年來,雙饋感應(yīng)發(fā)電機的無速度傳感器矢量控制技術(shù)一直是研究熱點。無速度傳感器技術(shù)有諸多優(yōu)點:降低系統(tǒng)成本,無需安裝和維護轉(zhuǎn)子位置傳感器,提高系統(tǒng)可靠性,更加適應(yīng)于在

6、惡劣環(huán)境下工作。本文對基于定子磁鏈的雙饋感應(yīng)發(fā)電機速度辨識技術(shù)進行了研究,雖然該方法具有良好的動靜態(tài)性能,但是,該方法有一個缺點,就是必須由轉(zhuǎn)子勵磁。當轉(zhuǎn)子電流ir'為零時,^ψs=Lsis,不含估測轉(zhuǎn)子角度^θr項,無法正確辨識轉(zhuǎn)子位置。因此,針對這個問題,本文提出一種新的基于轉(zhuǎn)子電流的雙饋感應(yīng)發(fā)電機速度辨識技術(shù),將測量得到的轉(zhuǎn)子電流作為參考模型,定子電壓和電流估測得到的轉(zhuǎn)子電流作為可調(diào)模型,通過比例積分(Proportional-i

7、ntergral,PI)控制器獲取轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。通過空載變速實驗和有功/無功解耦控制實驗,證明所提出的無速度傳感器控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子電流為零時依然可以正常工作,具有較強的魯棒性和令人滿意的動靜態(tài)性能。
　　 5)在MATLAB/SIMULINK仿真平臺下,利用SimPowerSystem工具箱提供的豐富的電力系統(tǒng)、電力電子常用元器件,根據(jù)真實的硬件平臺,以50KW的雙饋感應(yīng)發(fā)電機為例搭建仿真系統(tǒng)的主回路仿真建模。參照TI公司提

8、供的代碼例程對控制回路進行仿真建模,有一部分控制算法是使用M函數(shù)編寫,而不是直接采用SimPowerSystem工具箱提供的仿真模塊,這樣更能真實地還原實驗環(huán)境。然后,通過電動機運行工況下的轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機運行工況下的功率控制實驗,驗證了模型參考自適應(yīng)速度辨識方法和網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓閉環(huán)控制策略的可行性。
　　 6)為驗證理論分析的正確性,以50KW的雙饋感應(yīng)發(fā)電機為例,搭建了一套雙饋感應(yīng)發(fā)電機實驗控制系統(tǒng)。介紹了實驗系統(tǒng)硬