永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器電流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭和全球生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化，可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電已成為當(dāng)前清潔能源利用的研究熱點(diǎn)。其中，風(fēng)力發(fā)電得到了世界各國(guó)和地區(qū)的重視。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有可靠性好、發(fā)電效率高、故障穿越能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，而電流控制則是決定上述機(jī)組運(yùn)行性能的關(guān)鍵所在。為此，本文圍繞永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，針對(duì)其電流控制系統(tǒng)（包括濾波器、電流調(diào)節(jié)器和鎖相環(huán)等因素在內(nèi)）的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法進(jìn)行深入、細(xì)致的研究，并取得了以下研究成果：
　　

2、（1）針對(duì)T型LCL濾波結(jié)構(gòu)，在滿足并網(wǎng)要求的前提條件下，本文提出了一種盡量減少電感磁性元件的濾波器參數(shù)優(yōu)化方法。首先，為避免濾波器諧波衰減特性的過設(shè)計(jì)（濾波電感設(shè)計(jì)冗余），本文精確分析了空間矢量調(diào)制策略下的諧波電壓分布特性，并給出了一種諧波電壓幅值的計(jì)算方法；在此基礎(chǔ)上，定義了諧波畸變系數(shù)以衡量各次諧波電壓對(duì)并網(wǎng)電流畸變的影響程度；隨后，基于LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型，建立了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的約束條件，通過遞推迭代的設(shè)計(jì)方式計(jì)算并網(wǎng)變換器的

3、諧波最大工作點(diǎn)，并結(jié)合圖示法優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)組合。基于該設(shè)計(jì)方法，能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)濾波器的諧波衰減特性，有效地降低了濾波電感的設(shè)計(jì)冗余。
　?。?）為了改善并網(wǎng)電流控制的靜態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)特性，針對(duì)高階的LCL型并網(wǎng)變換器的電流控制系統(tǒng)，本文提出了一種考慮鎖相環(huán)性能影響的電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。首先，考慮數(shù)字控制延遲和電網(wǎng)線路阻抗的影響，在連續(xù)域內(nèi)建立了并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的精確靜態(tài)模型，由此得到準(zhǔn)確反映系統(tǒng)響應(yīng)特性的幅值裕度、相

4、位裕度和靜態(tài)誤差目標(biāo)函數(shù)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)要求適應(yīng)的電網(wǎng)環(huán)境和所需滿足的量化性能指標(biāo)，通過圖示法直接得到同時(shí)滿足各項(xiàng)性能要求的參數(shù)取值區(qū)域。隨后，考慮鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)過程的影響，建立了并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的暫態(tài)模型。將其暫態(tài)特征方程作為優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)特性的目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)一步通過根軌跡法對(duì)已有參數(shù)取值區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化，得到性能更優(yōu)的控制器參數(shù)組合。于此同時(shí)，本文還提出了一種基于濾波電容支路電壓正序分量的前饋控制方法，有效提高了并網(wǎng)電流控制對(duì)電

5、網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抑制能力。本文以雙同步 PI電流控制器為設(shè)計(jì)對(duì)象，結(jié)合所提控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法和電壓前饋控制方法，有效地改善了并網(wǎng)電流控制的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)和并網(wǎng)變換器對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。
　?。?）針對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)（包括同步定向和定子電流控制），本文提出了一種基于改進(jìn)的復(fù)合預(yù)測(cè)無差拍控制算法結(jié)合同步鎖相環(huán)的無傳感器矢量控制方案。在該方案中，基于傳統(tǒng)的無差拍控制算法結(jié)構(gòu)，引入串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓浪惴措妱?dòng)勢(shì)前饋，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高

6、了系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力；隨后，基于Lunberger算法、引入預(yù)測(cè)權(quán)值對(duì)定子電流超前一拍預(yù)測(cè)，有效補(bǔ)償了數(shù)字控制固有一拍滯后的延遲影響；而結(jié)合估算反電勢(shì)的同步鎖相環(huán)觀測(cè)模型，則快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速信息的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了無傳感器的同步定向和速度反饋。在此基礎(chǔ)上，考慮數(shù)字控制延遲、電機(jī)參數(shù)失配以及同步定向誤差角的影響，建立了無傳感器矢量控制系統(tǒng)的精確離散域模型，并基于閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程，通過Jury穩(wěn)定判據(jù)和閉環(huán)根軌跡，對(duì)預(yù)測(cè)無差拍控