無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制的研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電作為具有較大潛能的可再生能源開(kāi)發(fā)形式，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的研究，其中雙饋型變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了較快的發(fā)展。目前在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)多為由金屬和石墨復(fù)合的有刷結(jié)構(gòu)，電刷和滑環(huán)之間長(zhǎng)期保持適度潤(rùn)滑很困難。另外，電刷的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨屑，需要定期清理。這種復(fù)合材料對(duì)濕度非常敏感，相對(duì)濕度低于15％或高于85％，易于導(dǎo)致磨損不均。有刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的滑環(huán)和電刷甚至需要

2、每年更換一次。海上風(fēng)電場(chǎng)因濕度大，維修需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，費(fèi)用約為陸上的兩倍，這為海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用有刷雙饋電機(jī)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)省去電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，其維護(hù)方便，性能更加可靠，尤其適用于環(huán)境更加惡劣的海上風(fēng)電場(chǎng)。目前無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)已經(jīng)一些研究，但針對(duì)其無(wú)速度傳感器控制的研究相對(duì)較少，本文就無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)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(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的性能，繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了低諧波磁動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體利用率高，

3、具有更好的實(shí)用性。本文采用變極法繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，闡述了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，分析了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)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(guān)系。為了減少求解變量，更好地探討無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制規(guī)律，在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，將功率側(cè)與控制側(cè)均相對(duì)于以轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系靜止，建立了轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由于控制繞組直接與機(jī)側(cè)變換器連接，為了實(shí)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(chǎng)同步，建立了雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型。
　　2、安裝測(cè)速編碼器會(huì)增加硬件維護(hù)，使電機(jī)軸向上體積增大，并且安裝時(shí)存在同心度的問(wèn)題。同時(shí)，風(fēng)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(guò)100m長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)，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(cè)速編碼器不良影響，使系統(tǒng)更能適用于惡劣的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，針對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組復(fù)雜的電磁關(guān)系，以雙同步速兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

5、作為參考坐標(biāo)系，提出了一種使用于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的模型參考自適應(yīng)的速度估計(jì)方法。通過(guò)觀測(cè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率繞組定子磁鏈，克服了傳統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)采用靜止坐標(biāo)系建立參考模型時(shí)存在純積分計(jì)算帶來(lái)的積分初值以及直流偏移的不足，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的估計(jì)。
　　3、針對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)是一個(gè)多階非線(xiàn)性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)時(shí)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(yīng)速度估計(jì)方法。對(duì)無(wú)刷

6、雙饋發(fā)電機(jī)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(hào)模型中進(jìn)行了分析。模糊PI模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)方法在發(fā)電機(jī)的不同工況時(shí)調(diào)節(jié)比例、積分參數(shù)，使無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速估計(jì)的過(guò)程中對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真研究，對(duì)比分析了模糊PI無(wú)速度傳感器控制與常規(guī)PI無(wú)速度傳感器控制的控制性能，驗(yàn)證了所提出轉(zhuǎn)速估計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(fù)合控制方案設(shè)計(jì)。首先闡述了無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)的背靠背變流器中的網(wǎng)側(cè)變流器的控制原理，并就獨(dú)立控制方案設(shè)計(jì)了電容的容量。然后在相同的直流側(cè)電壓波動(dòng)的條件下，為了進(jìn)一步減少直流側(cè)的電容容量，將機(jī)側(cè)的功率變化量通過(guò)前饋引入網(wǎng)側(cè)變換器，并且利用內(nèi)?？刂苼?lái)減小延遲，加快

8、對(duì)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(dòng)，驗(yàn)證了所提出的復(fù)合控制方案的可行性。
　　5、在理論研究的基礎(chǔ)上，以?xún)善珼SP為控制核心搭建了背靠背變流器，組成了5KW無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用普通交流異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)用的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變速恒頻控制，驗(yàn)證了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。對(duì)所提的模糊PI模型參考自適應(yīng)無(wú)速度