无刷双馈风力发电系统的自抗扰控制研究.pdf

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1、摘要 摘要 风能是一种可再生的绿色清洁能源，但风电场风能参数同时存在强时变性、随机 性及不确定性问题，需采用特别的风能控制策略改善风力发电系统的运行性能。 在总结分析现有无刷双馈电机( b r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e s ，B D F M ) 研究成果基础 上，根据电动机与发电机的联系与区别，研究无刷双馈发电机( b r u s h l e s sd o u b l y - f e d g e n e r a t o r , B D F G ，即B D F M 的发电运行状态) 的基本结构、运行原理、稳态方程、功率流 向等。 根据

2、B D F G 转子速d q 轴电压电流方程式，在M a t l a b S i m u l i n k 平台上建立了B D F G 的仿真模型，对其运行特性进行仿真分析。在此基础上，为使B D F G 功率绕组和控制 绕组的电压、电流以及磁链在坐标系下的相量均可转化为直流分量，简化控制，根据 转子坐标系与同步坐标系之间的关系，构建了双同步坐标系下的B D F G 数学模型。 研究了控制绕组的三种磁链观测方法及其优缺点，为提高磁链观测的准确性，提 出了基于模型参考自适应的磁链观测策略。利用d - q 坐标系下B D F G 控制绕组电压电 流方程和U i 磁链模型，以电流和磁链为状态变量，同时

3、考虑定子电阻对磁链观测的影 响，辨识待估参数，建立d - q 坐标系下控制绕组的磁链观测模型。根据坐标转换关系 将该模型转换到双同步坐标系下，再依双同步坐标系下控制绕组磁链与其对应子系统 的转子磁链之间的关系，进一步得到控制绕组对应子系统转子磁链的观测模型，在 M a t l a b S i m u l i n k 中进行仿真，结果表明，该方法可较好地解决磁链振荡的问题。 研究了无刷双馈风力发电系统的功率控制、转速控制等控制方式。为提高无刷双 馈变速恒频风力发电系统的控制性能，以发电机转速为变量，将自抗扰控$ 1 ( a u t o d i s t u r b a n c er e j e c

4、 t i o nc o n t r o l ，A D R C ) 理论运用到转速解耦控制中，给出自抗扰控制器的设 计方法，低于额定风速时，以保持最佳叶尖速比为目的，调节控制绕组幅值、频率， 快速跟踪给定转速，最终实现最大风能跟踪和变速恒频发电控制。在M a t l a b S i m u l i n k 中建立了转速解耦控制模型，仿真结果验证了自抗扰控制策略的可行性。 关键词：风力发电系统；无刷双馈发电机；模型参考自适应；磁链观测；自抗扰控制； 转速解耦控制；最大风能跟踪控制 A B S T R A C T A B S T R A C T W i n dp o w e ri sak i n d

5、o f r e n e w a b l eg r e e nc l e a ne n e r g yw h i c hh a sg o o du t i l i z a t i o nv a l u e ， b u tf o rw i n dp o w e rp a r a m e t e r so fw i n df a r m sw i t hs t r o n gr a n d o m n e s s ，c h a n g e a b l e ， u n c e r t a i n t y , i tm u s tb ea d o p t e dt os p e c i a lw i n

6、 dp o w e rc o n t r o ls t r m e g yt or e a l i z em a x i m u m w i n dp o w e rt r a c k i n gc o n t r o lo fs y s t e m W i t ht h ec u r r e n tb r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e ( B D F M ) r e s e a r c hr e s u l t ss u m m a r i z e d a n da n a l y z e d ，a n dt h er e l a

7、 t i o na n dd i s t i n c t i o nb e t w e e nm o t o ra n dg e n e r a t o r , t h eb a s i c s t r u c t u r e s ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，s t e a d ye q u a t i o n sa n dp o w e rf l o w , e t co fb r u s h l e s sd o u b l y - f e d g e n e r a t o r ( B D F G , n a m e l y , t h ep

8、 o w e ro p e r m i o ns t a t eo fB D F M ) W a sa n a l y z e d A c c o r d i n gt ot h er o t o rs p e e dd - qs h a f tv o l t a g ec u r r e n te q u a t i o n so fB D F Gw h i c hW a s d e r i v e db yt h ep r e v i o u s ，B D F Gs i m u l a t i o nm o d e lW a sc o n s t r u c t e dw i t hM a

9、 t l a b S i m u l i n k e n v i r o n m e n t ，a n di t so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a db e e na n a l y z e d O nt h i sb a s i s ，t om a k et h e v o l t a g e ，c u r r e n ta n dm a g n e t i cc h a i np h a s o ro fB D F Gp o w e rw i n d i n ga n dc o n t r o lw i n d i n g t

10、 r a n s f o r mi n t od cc o m p o n e n t su n d e rt h ec o o r d i n a t es i m p l i f i e di t sc o n t r 0 1 I na c c o r d a n c ew i t h t h er e l a t i o nb e t w e e nr o t o rc o o r d i n a t es y s t e ma n ds y n c h r o n o u sc o o r d i n a t es y s t e m , t h ed o u b l e s y n

11、c h r o n o u sc o o r d i n a t es y s t e mB D F Gm a t h e m a t i c a lm o d e lw a s c o n s t r u c t e d R e s u m e dt h r e ek i n d so ff l u xo b s e r v i n gm e t h o do nc o n t r o lw i n d i n ga n dt h e i ra d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s T oi m p r o v et h ea c

12、c u r a c yo ff l u xo b s e r v i n g ，f l u xo b s e r v i n gs t r a t e g yb a s e d o nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ew a sp r o p o s e d T h ev o l t a g ec u r r e n te q u a t i o n su n d e rd - q c o o r d i n a t es y s t e mo fB D F Go nc o n t r o lw i n d i n ga n du im a g

13、n e t i cc h a i nm o d e lw e r eu s e d M e a n w h i l e ，w i t hc u r r e n ta n df l u xa ss t a t u sv a r i a b l e s ，u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h es t a t o r r e s i s t a n c e ，f l l u xo b s e r v e rW a sc o n s i d e r e d E s t i m a t ep a r a m e t e r sw e r ei d e n t i

14、f i c a t e da n df l u x o b s e r v i n gm o d e lu n d e rt h ed - qc o o r d i n a t es y s t e mo n c o n t r o lw i n d i n gW a se s t a b l i s h e d T h e n t h em o d e lW a st r a n s f o r m e dt od o u b l es y n c h r o n o u sc o o r d i n a t es y s t e m I nt h ed o u b l e s y n c

15、h r o n o u sc o o r d i n a t es y s t e m , o nt h eb a s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u xo nc o n t r o l w i n d i n ga n dr o t o rf l u x o ni t sc o r r e s p o n d i n gs u b s y s t e m , r o t o rf l u xo b s e r v i n gm o d e lo n c o n t r o lw i n d i n gc o r r e

16、 s p o n d i n gs u b s y s t e mW a so b t a i n e d I t ss i m u l a t e dm o d e l W a sc o n s t r u c t e d w i t hM a t l a b S i m u l i n ka n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dC a nw e l ls o l v et h ep r o b l e mo f m a g n e t i cc h a i no s c i l l a t i o n P o w e r

17、c o n t r o l , s p e e dc o n t r o lo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dw i n dp o w e rs y s t e mc o n t r o l m e t h o dw e r ee x p o u n d e d I no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fV S C Fs y s t e m , a u t o d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o

18、 l ( A D R C ) t h e o r yW a si n t r o d u c e di n t os p e e dd e c o u p l i n g 1 1 1 广东工业大学硕士学位论文 c o n t r o lo fB D F GW i t hg e n e r a t o rs p e e da sav a r i a b l e ，t h ed e s i g nm e t h o d so fA D R Cw a s g a v e o u t ，a n dr e a l i z e ds p e e dd e c o u p l i n gc o n t r

19、0 1 U n d e rt h er a t e dw i n d ，w i n ds p e e dw a s t e s t e d ，f o r t h ep u r p o s eo ft h eb e s tt i pr a t i ow a sm a i n t a i n e d ，c o n t r o lw i n d i n ga m p l i t u d e ，f r e q u e n c yw e r e a d j u s t e d ，a n df i n a l l ya c h i e v e dt h em a x i m u mw i n dp o w

20、 e rt r a c k i n gc o n t r o la n dv a r i a b l es p e e d c o n s t a n tf r e q u e n c yg e n e r a t ee l e c t r i c i t y S p e e dd e c o u p l i n gm o d e lw a sb u i l tw i t hM a t l a b S i m u l i n k ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hw a s

21、p r o p o s e dW a sv e r i f i e d K e yw o r d s ：W i n dp o w e rs y s t e m ；B r u s h l e s sd o u b l y - f e dg e n e r a t o r ；M o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e c o n t r o l ；F l u xo b s e r v e r ；A c t i v e d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l ；S p e e dd e c o u

22、 p l i n gc o n t r o l ； M a x i m u mw i n dp o w e rt r a c k i n gc o n t r o l l V 目录 目录 摘要I A B S T R A C T I I I I ；I录V C o N T E N T S 。V I I 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景及选题意义l 1 2 风力发电的发展现状2 1 2 1 国外风力发电的发展现状2 1 2 2 国内风力发电的发展现状4 1 3 风力发电的现代控制技术6 1 4 无刷双馈电机概述7 1 4 1 无刷双馈电机的研究现状7 1 4 2 无刷双馈电机的优缺点8 1 5

23、本文主要研究内容9 第二章无刷双馈风力发电系统1 l 2 1 风力机最大风能跟踪机理l l 2 1 1 风力机的类型1 l 2 1 2 风力机数学模型12 2 1 3 风力机特性曲线。1 4 2 2 无刷双馈风力发电系统的结构及模型1 5 2 2 1 系统的基本结构l5 2 2 2 系统的模型1 6 2 3 无刷双馈风力发电系统的工作原理1 7 2 4 本章小结2 0 第三章无刷双馈发电机的基本理论2 l 3 1 无刷双馈发电机的基本结构2 l 3 1 1 定子绕组结构2 l 3 1 2 转子绕组结构2 l V 广东工业大学硕士学位论文 3 2 无刷双馈发电机的工作原理2 2 3 3 无刷双馈

24、发电机的稳态方程和功率流向一2 4 3 3 1 稳态方程2 5 3 3 2 功率流向2 8 3 4 无刷双馈发电机的数学模型与特性仿真3l 3 4 1 转子速d - q 轴数学模型3 1 3 4 2 无刷双馈发电机特性仿真3 3 3 5 本章小结3 8 第四章无刷双馈发电机的磁链观测3 9 4 1 无刷双馈发电机的双同步坐标数学模型3 9 4 2 控制绕组磁链的观测方法4 3 4 2 1 基于电压、电流和转速的磁链观测模型4 4 4 2 2 基于模型参考自适应的磁链观测模型4 5 4 3 磁链模型参考自适应观测的仿真5 0 4 4 本章小结5 2 第五章无刷双馈发电机的转速自抗扰控制5 3 5

25、 1 自抗扰控制的基本原理5 3 5 1 1 非线性跟踪微分器( T D ) 5 4 5 1 2 扩张状态观测器( E S O ) 5 5 5 1 3 非线性状态误差反馈控制律( N L S E F l 一5 7 5 2 无刷双馈发电机转速自抗扰控制器的设计5 8 5 2 1B D F G 转速解耦数学模型5 8 5 2 2 转速自抗扰控制器的设计6 0 5 3 基于A D R C 的转速解耦控制仿真6 2 5 4 本章小结6 5 总结与展望 参考文献 6 7 6 9 7 4 7 5 7 6 攻读学位期间发表的论文 独创性声明 致谢 V I C O N T E N T S C O N T E

26、N T S A B S T R A C T ( I NC H I N E S E ) I A B S T R A C T ( I NE N G L I S H ) I I I C O N T E N T ( I NC H I N E S E ) V C O N T E N T ( I NE N GL I S H ) V I I C h a p t e r1I n t r o d u c t i o n 1 1 1B a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c eo f t h i sS u b j e c t 1 1 2T h eD e v e l

27、o p m e n to fW i n dP o w e r 2 1 2 1T h eD e v e l o p m e n to f F o r e i g nW i n dP o w e r 2 1 2 2T h eD e v e l o p m e n to f D o m e s t i cW 访dP o w e r 4 1 3M o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yo f r m dP o w e r 6 1 4T h eS u m m a r yo fB D F M 7 1 4 1T h eC u r r e n tR e s e a r

28、c ho f B D F M 7 1 4 2A d v a n t a g e sa n dD i s a d v a n t a g e so fB D F M 一8 1 5M a i nR e s e a r c hC o m e m so f t h i sP a p e r 9 C h a p t e r 2B r u s h l e s sD o u b l y - f e dW i n dG e n e r a t i o nS y s t e m 1 1 2 1T h em a x i m u mw i n dp o w e rt r a c k i n gp r i n c i

29、 p l eo fW i n dT u r b i n e 1 l 2 1 1T h et y p eo f dT u r b i n e l l 2 1 2T h eM a t h e m a t i c a lM o d e lo f W i n dT u r b i n e 1 2 2 1 3C h a r a c t e r i s t i cC u r v eo f W i n d r b i n e 1 4 2 2S t r u c t u r ea n dM o d e lo fB r u s h l e s sD o u b l y - f e d 、M n dG e n e

30、r a t i o nS y s t e m 15 2 2 1T h eb a s i cs t r u c t u r eo fs y s t e m 15 2 2 2M o d e lo f s y s t e m 1 6 2 3T h e P r i n c i p l eo f B r u s h l e s sD o u b l y f e dW i n dG e n e r a t i o nS y s t e m 17 2 4C o n c l u s i o n s 2 0 C h a p t e r 3B a s i cT h e o r yo fB D F G 2 1 3

31、1T h t ：b a s i cS t r u c t u r eo f B D F G 2 1 3 1 11 1 砖S t r u c t u r eo f S t a t o rW i n d i n g 2 1 3 1 2T h eS t r u c t u r eo f R o t o rW i n d i n g 2 1 3 2T h eP r i n c i p l eo f B D F G 2 2 3 3S t e a d yS t a t eE q u a t i o n sa n dP o w e rF l o wo f B D F G 2 4 V n 广东工业大学硕士学位

32、论文 ：；：；1S t e a d yS t a t eE q u a t i o n s 2 5 3 3 2P o w e rF l o W 2 8 3 4T h eM a t h e m a t i c a lM o d e la n dC h a r a c t e r i s t i cS i m u l a t i o no f B D F G 3l 3 4 1d qM a t h e m a t i cM o d e l 3l 3 4 2C h a r a c t e r i s t i cS i m u l a t i o no f B D F G 3 3 ：；5C o n c

33、l u s i o n s 3 8 C h a p t e r4F l u xO b s e r v i n go fB D F G 3 9 4 1T h ed o u b l es y n c h r o n o u sC 0 0 r d i n a t e sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fB D F G 3 9 4 2O b s e r v i n gm e t h o do f t h ef l u xo nc o n t r o lw i n d i n g 4 3 4 2 1F l u xo b s e r v i n gm o d e lb

34、a s e do nv o l t a g e ，c u r r e n ta n ds p e e d 4 4 4 2 2F l u xo b s e r v i n gm o d e lb a s e do nm o d e lr e f e r e n ca d a p t i v e 4 5 4 3S i m u l a t i o no ff l u xo b s e r v i n gb a s e do nm o d e lr e f e r e n ca d a p t i v e 5 0 4 4C o n e l u s i o n s 5 2 C h a p t e r5T

35、 h eS p e e dC o n t r o lb a s e do nA D R C o fB D F G 5 3 5 1B a s i cT h e o r yo f A D R C 5 3 5 1 1T D 5 4 5 1 2E S O 5 5 5 1 3N L S E F 5 7 5 2D e s i g no f t h eS p e e dC o n t r o lb a s e do nA D R Co f B D F G 5 8 5 2 1T h eM o d e lo f t h eD e c o u p l i n gS p e e dC o n t r o lo f

36、B D F G 5 8 5 2 2D e s i g no f t h eS p e e dC o n t r o lb a s e do nA D R C 6 0 5 3S i m u l a t i o no fS p e e dD e c o u p l i n gC o n t r o lb a s e do nA D l 地6 2 5 4C o n c l u s i o n s 6 5 S u m m a r y a n dP r o s p e c t 6 7 R e f e r e n c e s P u b f i c a t i o n sD u r i n gt h eD

37、 e g r e eP e r i o d P r o m e t h e a nD e c l a r a t i o n A c k n o w l e d g e m e n t s V n I 6 9 。7 1 ； 7 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及选题意义 经济的快速发展，从而导致对石油、天然气、煤炭等传统化石类能源的过渡丌采。 在面临能源逐渐枯竭的窘境下，开发各类新的能源成为目前解决能源问题的关键途径， 不仅可进一步保护地球生态环境，也可为人类的可持续发展提供动力。风能是一种绿 色可再生的清洁能源，风力发电投资周期短、见效快，但其作为一种过程性能源，具 有明显

38、的随机性、间歇性、不确定性等特征。根据空气动力学理论，风力机可以通过 叶片翼形的选择和改型设计，使其在不同风速下获得一个最佳运行转速，在此转速下， 不仅使施加给风力机的应力达到最小，且尽最大可能地提高风能的转换效率。目前， 发电方式有恒速恒频和变速恒频两种类型，其中最为常用的是采用变速恒频的方式， 该方式可根据最大风能跟踪控制的要求，在风速变化的条件下对风力机的转速进行实 时调节，转换效率相对较高。 无刷双馈电机( B D F M ) 没有电刷和滑环1 ，结构简单稳固，能提高发电机组的运行 可靠性及效率，可以大范围地调节无功功率，改善电网的功率因数，提高电网的稳定 性，降低补偿装置的投资成本。

39、由无刷双馈电机的种种优点可知，以该种电机作为将 机械能转换为电能的部件所构成的风力发电系统，是一种具有良好应用前景的变速恒 频发电系统，同时，采用何种先进智能的控制策略对无刷双馈电机进行控制也显得至 关重要。近二十多年来，随着电力电子器件、智能算法及控制技术的不断发展与完善， 越来越多的控制算法被应用到电机的控伟I J 上，如标量控制、矢量控制、直接转矩控制 和转子磁场定向控制等电机特有的控制方法，在此基础上，可通过结合自抗扰、无源 性、自适应、神经网络等先进算法进一步提升电机的控制品质及发电质量，为风力发 电的并网提供更可靠的保障。然而，无届I J 双馈电机及其控制策略发展至今，依然存在 一些亟待解决的问题，这对其应用进程有一定影响2 1 ： l 、由于B D F M 定子存在两套绕组，结构比较复杂，其设计与制造相较于普通电 机更难。 2 、因变频器输出的电流存在大量的i 皆波分量，B D F M 的损耗会比普通感应电机大 些，发热量也随之增多。 广东工业大学硕士学位论文 3 、B D F M 数学模型较为复杂，