變速恒頻交流勵磁雙饋風(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，而且實現(xiàn)了機電系統(tǒng)的柔性連接。本文圍繞變速恒頻交流勵磁雙饋風(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)電機與普通異步電機和同步電機的區(qū)別和聯(lián)系

2、。建立了雙饋發(fā)電機的等值電路模型，詳細分析了雙饋發(fā)電機中功率、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)電機運行特性、功率流動關(guān)系、穩(wěn)態(tài)運行性能、靜態(tài)穩(wěn)定等問題。分析認為，在雙饋發(fā)電機功率控制方式下各控制量之間的相互關(guān)系是復(fù)雜的、耦合是嚴重的。首次提出了三種適合雙饋發(fā)電機分析和控制的復(fù)矢量模型，分析了三種復(fù)矢量模型之間的相互關(guān)系和適用場合。建立了雙饋發(fā)電機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，揭示了雙饋發(fā)電機并網(wǎng)運行和獨立

3、運行在定子磁場定向控制策略下的內(nèi)在統(tǒng)一和區(qū)別。重點研究了并網(wǎng)運行雙饋發(fā)電機的控制目標(biāo)、控制方式、運行特性和系統(tǒng)功率流動等關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法，并依據(jù)內(nèi)模原理，運用復(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，采用矢量控制可實現(xiàn)并網(wǎng)運行雙饋發(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)力機捕獲最大風(fēng)能的運行原理，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)力機的數(shù)學(xué)模型，對基于背靠背電壓源變換器，帶風(fēng)力機模型

4、的并網(wǎng)型雙饋發(fā)電系統(tǒng)進行了詳細研究，指出采用最大風(fēng)能捕獲控制可實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率、無功功率和轉(zhuǎn)速的獨立控制。并就實驗室如何采用他勵直流電動機模擬風(fēng)力機輸出特性曲線，分析了實現(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)電機的端電壓和電網(wǎng)電壓存在差別時并網(wǎng)，對電網(wǎng)沖擊的影響以及待并發(fā)電機如何獲得同期條件進行了詳細的研究。建立了雙饋發(fā)電機空載并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了間接定子磁場定向控制策略。并針對常規(guī)并網(wǎng)方式中的先勵磁后并網(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，大大簡化了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。本文研究了位置辨識與轉(zhuǎn)速辨識之間的相互關(guān)系以及它們對控制系統(tǒng)性能的影響。通過辨識，只要知道轉(zhuǎn)子位置就一定可以知道轉(zhuǎn)速。換個思路，本文首次提出將基于轉(zhuǎn)子磁鏈進行轉(zhuǎn)速辨識的模型參考自適應(yīng)法應(yīng)用于位置辨識系統(tǒng)中，并就其設(shè)計思路、穩(wěn)定性以及改進辦法進行

6、了詳細分析。研究表明，辨識轉(zhuǎn)速和辨識位置都能最終跟上實際值，并具有一定的抗擾動能力，但仍然受轉(zhuǎn)子初始位置的影響。同時為需要轉(zhuǎn)子位置信號的這類系統(tǒng)的研究提供了一種新的思路，即可以通過辨識轉(zhuǎn)速得到辨識位置，而并非要直接辨識轉(zhuǎn)子位置。本文對系統(tǒng)實驗中幾個主要環(huán)節(jié)進行了一定研究。在使用格雷碼絕對式光電編碼器檢測轉(zhuǎn)子位置的過程中，提出了一種格雷碼數(shù)據(jù)對照表方法，極大地簡化了程序設(shè)計；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，而且實現(xiàn)簡單；詳細推導(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，從而實現(xiàn)了在電機轉(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，詳細分析了控制系統(tǒng)構(gòu)成極其簡化條件；就定子磁通角工程上的實現(xiàn)方法，提出了數(shù)字鎖相環(huán)法和實時計算法，分析了各自的工作原理和實現(xiàn)方法，并就實時計算法的適用情況進行了分析；建立了小信號模型，對雙饋發(fā)電機系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析，指出