永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器電流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭和全球生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化,可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電已成為當(dāng)前清潔能源利用的研究熱點(diǎn)。其中,風(fēng)力發(fā)電得到了世界各國(guó)和地區(qū)的重視。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有可靠性好、發(fā)電效率高、故障穿越能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn),而電流控制則是決定上述機(jī)組運(yùn)行性能的關(guān)鍵所在。為此,本文圍繞永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,針對(duì)其電流控制系統(tǒng)(包括濾波器、電流調(diào)節(jié)器和鎖相環(huán)等因素在內(nèi))的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法進(jìn)行深入、細(xì)致的研究,并取得了以下研究成果： (1)針對(duì)T型LCL濾波結(jié)構(gòu),在滿足并網(wǎng)要求的前提條件下,本文提出了一種盡量減少電感磁性元件的濾波器參數(shù)優(yōu)化方法。首先,為避免濾波器諧波衰減特性的過(guò)設(shè)計(jì)(濾波電感設(shè)計(jì)冗余),本文精確分析了空間矢量調(diào)制策略下的諧波電壓分布特性,并給出了一種諧波電壓幅值的計(jì)算方法；在此基礎(chǔ)上,定義了諧波畸變系數(shù)以衡量各次諧波電壓對(duì)并網(wǎng)電流畸變的影響程度；隨后,基于LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型,建立了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的約束條件,通過(guò)遞推迭代的設(shè)計(jì)方式計(jì)算并網(wǎng)變換器的諧波最大工作點(diǎn),并結(jié)合圖示法優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)組合?；谠撛O(shè)計(jì)方法,能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)濾波器的諧波衰減特性,有效地降低了濾波電感的設(shè)計(jì)冗余。 (2)為了改善并網(wǎng)電流控制的靜態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)特性,針對(duì)高階的LCL型并網(wǎng)變換器的電流控制系統(tǒng),本文提出了一種考慮鎖相環(huán)性能影響的電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。首先,考慮數(shù)字控制延遲和電網(wǎng)線路阻抗的影響,在連續(xù)域內(nèi)建立了并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的精確靜態(tài)模型,由此得到準(zhǔn)確反映系統(tǒng)響應(yīng)特性的幅值裕度、相位裕度和靜態(tài)誤差目標(biāo)函數(shù)；在此基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)要求適應(yīng)的電網(wǎng)環(huán)境和所需滿足的量化性能指標(biāo),通過(guò)圖示法直接得到同時(shí)滿足各項(xiàng)性能要求的參數(shù)取值區(qū)域。隨后,考慮鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響,建立了并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的暫態(tài)模型。將其暫態(tài)特征方程作為優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)特性的目標(biāo)函數(shù),并進(jìn)一步通過(guò)根軌跡法對(duì)已有參數(shù)取值區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化,得到性能更優(yōu)的控制器參數(shù)組合。于此同時(shí),本文還提出了一種基于濾波電容支路電壓正序分量的前饋控制方法,有效提高了并網(wǎng)電流控制對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抑制能力。本文以雙同步PI電流控制器為設(shè)計(jì)對(duì)象,結(jié)合所提控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法和電壓前饋控制方法,有效地改善了并網(wǎng)電流控制的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)和并網(wǎng)變換器對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。 (3)針對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)(包括同步定向和定子電流控制),本文提出了一種基于改進(jìn)的復(fù)合預(yù)測(cè)無(wú)差拍控制算法結(jié)合同步鎖相環(huán)的無(wú)傳感器矢量控制方案。在該方案中,基于傳統(tǒng)的無(wú)差拍控制算法結(jié)構(gòu),引入串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓浪惴措妱?dòng)勢(shì)前饋,改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高了系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力；隨后,基于Lunberger算法、引入預(yù)測(cè)權(quán)值對(duì)定子電流超前一拍預(yù)測(cè),有效補(bǔ)償了數(shù)字控制固有一拍滯后的延遲影響；而結(jié)合估算反電勢(shì)的同步鎖相環(huán)觀測(cè)模型,則快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速信息的觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器的同步定向和速度反饋。在此基礎(chǔ)上,考慮數(shù)字控制延遲、電機(jī)參數(shù)失配以及同步定向誤差角的影響,建立了無(wú)傳感器矢量控制系統(tǒng)的精確離散域模型,并基于閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程,通過(guò)Jury穩(wěn)定判據(jù)和閉環(huán)根軌跡,對(duì)預(yù)測(cè)無(wú)差拍控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),有效地改善了永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器矢量控制的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)和參數(shù)魯棒性。 (4)最后,基于文中所述設(shè)計(jì)方法,搭建了一套10kW永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析基本一致,證明了本文中所述理論建模分析的正確性以及所提設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法的有效性。 【關(guān)鍵詞】：電流控制 LCL濾波器 同步鎖相環(huán) 永磁同步電機(jī) 復(fù)合預(yù)測(cè)無(wú)差拍 無(wú)傳感器控制
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-28
• 1.1 研究背景和選題意義12-16
• 1.2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-25
• 1.3 本文的選題依據(jù)25-26
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容26-28
• 2 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法研究28-54
• 2.1 引言28-29
• 2.2 變換器輸出PWM電壓的諧波特性分析29-39
• 2.3 LCL濾波器參數(shù)組合的設(shè)計(jì)與優(yōu)化39-53
• 2.4 本章小結(jié)53-54
• 3 考慮鎖相環(huán)影響的LCL并網(wǎng)變換器電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化54-83
• 3.1 引言54-55
• 3.2 基于靜態(tài)目標(biāo)函數(shù)的電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)55-69
• 3.3 考慮鎖相環(huán)影響系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化69-78
• 3.4 基于濾波電容支路電壓正序分量的前饋控制78-79
• 3.5 仿真分析79-82
• 3.6 本章小結(jié)82-83
• 4 基于改進(jìn)預(yù)測(cè)無(wú)差拍的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)研究83-123
• 4.1 引言83-84
• 4.2 永磁同步電機(jī)的矢量控制策略分析84-95
• 4.3 永磁同步電機(jī)的復(fù)合型預(yù)測(cè)無(wú)差拍電流控制95-107
• 4.4 基于同步鎖相的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制107-122
• 4.5 本章小結(jié)122-123
• 5 永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功能實(shí)現(xiàn)123-139
• 5.1 實(shí)驗(yàn)機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)說(shuō)明123-125
• 5.2 全功率并網(wǎng)變換器的控制系統(tǒng)說(shuō)明125-128
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析128-138
• 5.4 本章小結(jié)138-139
• 6 全文總結(jié)139-142
• 6.1 本文研究?jī)?nèi)容及成果139-140
• 6.2 未來(lái)工作展望140-142
• 致謝142-144
• 參考文獻(xiàn)144-153
• 附錄：攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文和其他成果153-154

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