無刷雙饋風力發(fā)電機無速度傳感器控制的研究.pdf

1、風力發(fā)電作為具有較大潛能的可再生能源開發(fā)形式，近年來得到了越來越廣泛的研究，其中雙饋型變速恒頻(VSCF)風力發(fā)電技術以其獨特的優(yōu)勢得到了較快的發(fā)展。目前在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應用的交流勵磁雙饋發(fā)電機多為由金屬和石墨復合的有刷結(jié)構(gòu)，電刷和滑環(huán)之間長期保持適度潤滑很困難。另外，電刷的運行過程中會產(chǎn)生磨屑，需要定期清理。這種復合材料對濕度非常敏感，相對濕度低于15％或高于85％，易于導致磨損不均。有刷雙饋風力發(fā)電機的滑環(huán)和電刷甚至需要

2、每年更換一次。海上風電場因濕度大，維修需要的時間相對較長，費用約為陸上的兩倍，這為海上風電場應用有刷雙饋電機帶來了挑戰(zhàn)。而無刷雙饋發(fā)電機省去電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，其維護方便，性能更加可靠，尤其適用于環(huán)境更加惡劣的海上風電場。目前無刷雙饋發(fā)電機已經(jīng)一些研究，但針對其無速度傳感器控制的研究相對較少，本文就無刷雙饋風力發(fā)電機進行的主要研究工作可概括如下:
　　1、由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定無刷雙饋發(fā)電機的性能，繞線轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了低諧波磁動勢，導體利用率高，

3、具有更好的實用性。本文采用變極法繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋發(fā)電機為研究對象，闡述了無刷雙饋發(fā)電機的運行機理，分析了無刷雙饋發(fā)電機在亞同步速、同步速和超同步速不同工作區(qū)間的能量轉(zhuǎn)換關系。為了減少求解變量，更好地探討無刷雙饋發(fā)電機的控制規(guī)律，在三相靜止坐標系的數(shù)學模型基礎上，將功率側(cè)與控制側(cè)均相對于以轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)的兩相坐標系靜止，建立了轉(zhuǎn)子速坐標系下的數(shù)學模型。由于控制繞組直接與機側(cè)變換器連接，為了實現(xiàn)矢量控制，將功率側(cè)和控制側(cè)分別與其本身的旋

4、轉(zhuǎn)磁場同步，建立了雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標系數(shù)學模型。
　　2、安裝測速編碼器會增加硬件維護，使電機軸向上體積增大，并且安裝時存在同心度的問題。同時，風力發(fā)電系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)放在塔架底部，通常需要超過100m長的傳輸線，光電編碼器工作易受高溫、高濕環(huán)境的影響，降低了系統(tǒng)工作的可靠性。為了克服安裝測速編碼器不良影響，使系統(tǒng)更能適用于惡劣的風場環(huán)境，針對無刷雙饋發(fā)電機內(nèi)部有兩個定子繞組和一個轉(zhuǎn)子繞組復雜的電磁關系，以雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標系

5、作為參考坐標系，提出了一種使用于無刷雙饋發(fā)電機的模型參考自適應的速度估計方法。通過觀測旋轉(zhuǎn)坐標系下的無刷雙饋發(fā)電機的功率繞組定子磁鏈，克服了傳統(tǒng)的磁鏈觀測采用靜止坐標系建立參考模型時存在純積分計算帶來的積分初值以及直流偏移的不足，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的估計。
　　3、針對無刷雙饋發(fā)電機是一個多階非線性的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)模型參考自適應速度估計時比例、積分參數(shù)固定，不能使控制系統(tǒng)性能保持在最佳范圍，提出了模糊PI模型參考自適應速度估計方法。對無刷

6、雙饋發(fā)電機功率繞組定子側(cè)有功電流以及比例、積分參數(shù)等影響估算速度性能的因素，在小信號模型中進行了分析。模糊PI模型參考自適應速度估計方法在發(fā)電機的不同工況時調(diào)節(jié)比例、積分參數(shù)，使無速度傳感器控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速估計的過程中對速度變化的跟隨性和轉(zhuǎn)矩電流變化的抗干擾性都得到提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應。利用Matlab/Simulink軟件進行仿真研究，對比分析了模糊PI無速度傳感器控制與常規(guī)PI無速度傳感器控制的控制性能，驗證了所提出轉(zhuǎn)速估計方法

7、的可行性和有效性。
　　4、背靠背變流器系統(tǒng)中的直流側(cè)電容與系統(tǒng)中的其他原件相比壽命要短幾個數(shù)量級，為了減小變換器中的電容容量并且穩(wěn)定直流側(cè)的電壓，提出了雙向變換器內(nèi)模-前饋復合控制方案設計。首先闡述了無刷雙饋型發(fā)電機的背靠背變流器中的網(wǎng)側(cè)變流器的控制原理，并就獨立控制方案設計了電容的容量。然后在相同的直流側(cè)電壓波動的條件下，為了進一步減少直流側(cè)的電容容量，將機側(cè)的功率變化量通過前饋引入網(wǎng)側(cè)變換器，并且利用內(nèi)模控制來減小延遲，加快

8、對給定量的跟隨。分析了該方案能在相同的電容容量的情況下減小電壓的波動，驗證了所提出的復合控制方案的可行性。
　　5、在理論研究的基礎上，以兩片DSP為控制核心搭建了背靠背變流器，組成了5KW無刷雙饋風力發(fā)電機變速恒頻矢量控制系統(tǒng)的實驗平臺。采用普通交流異步電動機作為原動機來拖動實驗用的無刷雙饋發(fā)電機，實現(xiàn)了無刷雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的變速恒頻控制，驗證了無刷雙饋發(fā)電機的有功功率和無功功率的解耦控制。對所提的模糊PI模型參考自適應無速度