基于改进型滑模观测器的直驱永磁风电运行控制研究

【摘要】：随着能源危机和环境恶化的日益加剧，发展可再生新能源已经成为世界各国的共识。其中，风能以清洁无污染、资源丰富、技术应用成熟以及市场前景广阔等优点在新能源中脱颖而出。风力发电是风能的最主要利用方式，目前已受到人们的广泛关注。 直驱永磁同步风电机组以无需外部励磁、结构简单、转换效率高、维护成本低、利于电网安全稳定运行等优点，成为了当前兆瓦级风电系统的主流机型。为实现永磁风力发电机的高性能控制，转子位置和转速信息是极其关键的，常用途径是通过安装机械传感器来获取所需信息，但机械传感器的引入将造成系统成本增加、发电机体积增大、易受外部环境干扰、系统可靠性降低等一系列不良影响。为此，研究无传感器控制理论在直驱永磁风电系统中的应用就显得尤为必要，这种方法结合矢量控制就被称为无传感器矢量控制技术。本文围绕这一工作展开研究，提出了一种基于滑模观测器的转子位置和转速的估算算法，并在传统滑模观测器上作了相应地改进，并通过仿真和模拟实验验证了主要理论研究成果的正确性和可行性。 首先，对全球风电发展的背景及意义进行了论述，对当前无速度传感器技术的研究现状进行了总结和阐述。从风能的特点出发，建立了风能的数学模型，接着根据风能最大捕获原理和风力机的机械特性，建立了风力机的仿真模型，仿真结果证明了该模型具有良好的运行特性。 其次，根据双PWM直驱型永磁同步风电系统整体结构，利用空间矢量法建立了直驱型永磁同步风电机组的统一数学模型。机侧控制器采用零d轴电流转子磁场定向矢量控制，实现对PMSG的控制；网侧控制器采用的是基于电网电压定向矢量控制，实现有功功率和无功功率的解耦控制。分别建立机侧和网侧矢量控制仿真模型，仿真结果证明了所选控制策略的有效性。 另外，有针对性地分析了滑模变结构控制理论，为滑模观测器的设计提供了理论依据。然后根据PMSG在两相静止轴系下的数学模型，对基于滑模观测器的转子位置和转速估算方法进行了分析推导。针对传统滑模观测器中抖动问题突出、估测精度不高等现象，本文设计了一种改进型滑模观测器：利用饱和函数替换不连续的开关函数，以削弱无速度传感器中因滑模辨识的感应电势造成的高频抖动；另外，针对传统方法选用低通滤波器提取连续信号造成相位延迟的问题，本文构建出反电势观测器取代低通滤波器直接提取反电势信号，省略了相位补偿环节，改善了估测精度。最终根据所作的理论分析和公式推导，建立了基于改进型滑模观测器的直驱型永磁风电矢量控制系统，并在Matlab/Simulink环境下进行了仿真分析，仿真结果证明了改进型滑模观测器具备良好的动、静态性能，估测精度高、鲁棒性强等特点，实现了直驱型永磁风力发电机组的高性能矢量控制。 最后，根据上面做的理论基础工作，搭建了直驱型永磁同步风电无传感器矢量控制系统的模拟实验平台，对硬件和软件部分逐步进行设计与调试。利用他励直流电动机模拟风力机拖动PMSG运行，分别在空载、加载及低速实验条件下进行了实验分析，实验结果证明该估算算法在动、静态下都具有良好的估测性能。 【关键词】：滑模观测器 无速度传感器 风力发电 直驱永磁同步发电机 矢量控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 直驱型永磁风力发电系统12-15
• 1.3 永磁同步电机无速度传感器的研究现状15-19
• 1.4 论文的主要研究内容19-21
• 第二章 直驱型永磁同步风电系统控制与建模分析21-42
• 2.1 直驱型永磁风电系统的构成与运行原理21-22
• 2.2 风力机的建模22-26
• 2.2.1 风能的计算22-23
• 2.2.2 风力机特性系数23-24
• 2.2.3 最大风能捕获原理24-25
• 2.2.4 风力机的建模与仿真25-26
• 2.3 永磁同步发电机数学模型及其矢量控制策略研究26-33
• 2.3.1 d-q 轴系下永磁同步发电机数学模型26-28
• 2.3.2 PMSG 基于转子磁场定向的矢量控制28-30
• 2.3.3 带速度传感器的 D-PMSG 矢量控制仿真分析30-33
• 2.4 网侧 PWM 变流器的数学模型与控制策略33-41
• 2.4.1 三相静止坐标系下 PWM 变流器数学模型34-35
• 2.4.2 基于电网电压定向的网侧 PWM 变流器矢量控制35-39
• 2.4.3 网侧 PWM 变流器控制策略仿真分析39-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 基于改进型滑模观测器的直驱永磁同步发电机无传感器矢量控制42-63
• 3.1 滑模变结构控制理论42-49
• 3.1.1 滑模变结构控制概念43-45
• 3.1.2 滑模变结构控制系统的品质45-46
• 3.1.3 滑模变结构控制系统的基本控制策略46-47
• 3.1.4 滑模变结构控制的特点47-49
• 3.2 传统滑模观测器设计49-52
• 3.2.1 电流观测器的设计49-51
• 3.2.2 转子位置和速度估测器设计51-52
• 3.3 改进型滑模观测器设计52-62
• 3.3.1 饱和函数53
• 3.3.2 反电势观测的设计53-56
• 3.3.3 基于改进型 SMO 的 D-PMSG 无传感器控制策略仿真分析56-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第四章 D-PMSG 无传感器矢量控制实验研究63-73
• 4.1 控制系统整体结构63-69
• 4.1.1 控制系统硬件设计64-66
• 4.1.2 控制系统的软件设计66-69
• 4.2 实验结果分析69-72
• 4.3 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录79-80
• 附录 B 攻读学位期间所参与的实验项目80-81
• 致谢81

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