變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究.pdf

1、常規(guī)能源、電力緊缺及供電環(huán)境問題日益突出，利用可再生能源如風(fēng)能，作為未來最重要的清潔替代能源之一，對(duì)于緩解能源匱乏具有非同尋常的意義。和常規(guī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置的變頻器在轉(zhuǎn)子回路，僅處理雙向流動(dòng)的轉(zhuǎn)差功率，不僅具有變頻器體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的柔性連接。本文圍繞變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)控制技術(shù)展開研究。本文揭示了雙饋發(fā)電機(jī)與普通異步電機(jī)和同步電機(jī)的區(qū)別和聯(lián)系

2、。建立了雙饋發(fā)電機(jī)的等值電路模型，詳細(xì)分析了雙饋發(fā)電機(jī)中功率、轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵物理量之間的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，定性分析了雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性、功率流動(dòng)關(guān)系、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能、靜態(tài)穩(wěn)定等問題。分析認(rèn)為，在雙饋發(fā)電機(jī)功率控制方式下各控制量之間的相互關(guān)系是復(fù)雜的、耦合是嚴(yán)重的。首次提出了三種適合雙饋發(fā)電機(jī)分析和控制的復(fù)矢量模型，分析了三種復(fù)矢量模型之間的相互關(guān)系和適用場(chǎng)合。建立了雙饋發(fā)電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，揭示了雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立

3、運(yùn)行在定子磁場(chǎng)定向控制策略下的內(nèi)在統(tǒng)一和區(qū)別。重點(diǎn)研究了并網(wǎng)運(yùn)行雙饋發(fā)電機(jī)的控制目標(biāo)、控制方式、運(yùn)行特性和系統(tǒng)功率流動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，并依據(jù)內(nèi)模原理，運(yùn)用復(fù)矢量模型首次分析了系統(tǒng)耦合量的不同處理方式。研究表明，采用矢量控制可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行雙饋發(fā)電系統(tǒng)定子端口有功和無功功率的解耦控制。分析了風(fēng)力機(jī)捕獲最大風(fēng)能的運(yùn)行原理，解釋了傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式風(fēng)能利用率低的根本原因。建立了風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)基于背靠背電壓源變換器，帶風(fēng)力機(jī)模型

4、的并網(wǎng)型雙饋發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出采用最大風(fēng)能捕獲控制可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率、無功功率和轉(zhuǎn)速的獨(dú)立控制。并就實(shí)驗(yàn)室如何采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性曲線，分析了實(shí)現(xiàn)原理，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，給出了相應(yīng)的控制策略。常規(guī)待并發(fā)電機(jī)的端電壓和電網(wǎng)電壓存在差別時(shí)并網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊的影響以及待并發(fā)電機(jī)如何獲得同期條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究。建立了雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了間接定子磁場(chǎng)定向控制策略。并針對(duì)常規(guī)并網(wǎng)方式中的先勵(lì)磁后并網(wǎng)

5、再切換控制策略的順序，首次提出了雙饋發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)方法，將常規(guī)的并網(wǎng)順序改變?yōu)橄炔⒕W(wǎng)后勵(lì)磁，從而系統(tǒng)可直接工作在正常的發(fā)電模式，而無需控制算法的切換。降低了系統(tǒng)成本，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。本文研究了位置辨識(shí)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)之間的相互關(guān)系以及它們對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。通過辨識(shí)，只要知道轉(zhuǎn)子位置就一定可以知道轉(zhuǎn)速。換個(gè)思路，本文首次提出將基于轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)的模型參考自適應(yīng)法應(yīng)用于位置辨識(shí)系統(tǒng)中，并就其設(shè)計(jì)思路、穩(wěn)定性以及改進(jìn)辦法進(jìn)行

6、了詳細(xì)分析。研究表明，辨識(shí)轉(zhuǎn)速和辨識(shí)位置都能最終跟上實(shí)際值，并具有一定的抗擾動(dòng)能力，但仍然受轉(zhuǎn)子初始位置的影響。同時(shí)為需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的這類系統(tǒng)的研究提供了一種新的思路，即可以通過辨識(shí)轉(zhuǎn)速得到辨識(shí)位置，而并非要直接辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置。本文對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中幾個(gè)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了一定研究。在使用格雷碼絕對(duì)式光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的過程中，提出了一種格雷碼數(shù)據(jù)對(duì)照表方法，極大地簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)；在轉(zhuǎn)子初始定位過程中，首次提出了一種適合工程上使用的初始定位方法

7、，該方法不用考慮定轉(zhuǎn)子繞組的連接形式，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；詳細(xì)推導(dǎo)了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器外接大電感后至轉(zhuǎn)子端口在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電壓空間矢量的功能；由控制系統(tǒng)采用電流控制模式或者速度控制模式原理，詳細(xì)分析了控制系統(tǒng)構(gòu)成極其簡(jiǎn)化條件；就定子磁通角工程上的實(shí)現(xiàn)方法，提出了數(shù)字鎖相環(huán)法和實(shí)時(shí)計(jì)算法，分析了各自的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并就實(shí)時(shí)計(jì)算法的適用情況進(jìn)行了分析；建立了小信號(hào)模型，對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，指出