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感應電機風電機組全功率變流器控制和優(yōu)化

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時間:2024-08-18 18:37:55
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感應電機風電機組全功率變流器控制和優(yōu)化【摘要】:隨著日益加劇的環(huán)境污染和能源短缺問題,風能作為最有發(fā)展空間的可再生潔凈能源之一,近年來在全球范圍內(nèi)得到廣泛開發(fā),從而帶動了風力發(fā)電技

【摘要】:隨著日益加劇的環(huán)境污染和能源短缺問題,風能作為最有發(fā)展空間的可再生潔凈能源之一,近年來在全球范圍內(nèi)得到廣泛開發(fā),從而帶動了風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展與不斷創(chuàng)新。在風力發(fā)電機組中,基于鼠籠感應發(fā)電機的全功率型變流器風電機組以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護成本低等優(yōu)點得到廣泛應用,尤其在海上風電領(lǐng)域已成為普遍采用的一類機型。針對鼠籠感應電機風電機組全功率變流器,傳統(tǒng)控制策略存在穩(wěn)定性、控制性能、效率與可靠性方面的明顯不足。因此,進一步優(yōu)化全功率變流器性能,提高機組控制性能、效率與可靠性具有重要意義。本文分別從以下幾個方面討論該類型機組的控制與優(yōu)化問題。 1.對于采用LCL濾波器的網(wǎng)側(cè)變流器,為改善控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能并提高控制器應對參數(shù)變動以及外部擾動的魯棒性,提出了一種基于滑模技術(shù)的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)設(shè)計方案。文章通過建立網(wǎng)側(cè)電流多階誤差方程,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了電流滑??刂破?;并提出用PI調(diào)節(jié)器直流母線電壓外環(huán)與滑模電流內(nèi)環(huán)的級聯(lián)式控制結(jié)構(gòu),由此設(shè)計了采用LCL濾波器的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)。仿真與實驗結(jié)果驗證了滑??刂破髂苓_到控制要求并具有很好的魯棒性。 2.對于機側(cè)變流器,為提高控制性能、增加可靠性并降低硬件成本,對感應發(fā)電機無速度傳感器的觀測技術(shù)進行研究,提出一種基于離散輸入的閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的設(shè)計方案,給出一組用線性矩陣不等式描述的約束條件以保證觀測誤差漸近穩(wěn)定;基于模型參考自適應方法研究發(fā)電機轉(zhuǎn)速估計的工程實現(xiàn)方案。詳細探討了觀測器設(shè)計中直流偏置的抑制方法。仿真與實驗結(jié)果驗證了磁鏈觀測器設(shè)計以及無速度傳感器控制實現(xiàn)方案的有效性。 3.為提高直流母線電壓動態(tài)響應速度,減少母線電容容量,研究了直流母線電壓波動抑制的優(yōu)化控制方案。建立了機組整體歐拉-拉格朗日模型,以無源性控制理論為基礎(chǔ),設(shè)計了機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制器,并通過對系統(tǒng)平衡點的優(yōu)化配置改善系統(tǒng)動態(tài)性能。針對實際應用中由于模型參數(shù)不確定導致無源性控制性能下降的問題,提出具有L2增益抑制的無源性控制器參數(shù)設(shè)計方法。分析機組快速性能的約束條件,提出采用功率斜率控制方法進一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。仿真與實驗結(jié)果驗證了所提出控制方法的有效性。 4.為提高機組發(fā)電效率、降低系統(tǒng)損耗,提出一種基于系統(tǒng)損耗模型的節(jié)能優(yōu)化控制方案。同時考慮含鐵芯損耗的感應發(fā)電機損耗模型以及功率變流器的損耗模型,在不同風速下,建立發(fā)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的最優(yōu)工作點,將其應用到機側(cè)變流器的矢量控制中;并對不同風速時機組采用節(jié)能算法下的損耗情況與優(yōu)化效果進行了分析。實驗結(jié)果驗證了理論方法正確性。 5.為抑制機組穩(wěn)態(tài)工況下功率的低頻波動以及提高故障工況下機組的低電壓穿越能力,提出采用超級電容儲能系統(tǒng)來改進機組并網(wǎng)性能,給出了超級電容儲能系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計方案,并提出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下抑制功率低頻波動的協(xié)調(diào)控制方案以及電網(wǎng)故障情況下低電壓穿越的協(xié)調(diào)控制方案。對協(xié)調(diào)控制中各變流器環(huán)節(jié)的控制算法以及切換過程進行了詳細描述。仿真驗證了參數(shù)設(shè)計方案以及系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方案的正確性。 【關(guān)鍵詞】:鼠籠感應發(fā)電機 全功率變流器 滑??刂?/strong> 無速度傳感器控制 動態(tài)響應 節(jié)能優(yōu)化 超級電容儲能系統(tǒng)
【學位授予單位】:上海交通大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2014
【分類號】:TM315;TM46
【目錄】:
  • 上海交通大學博士學位論文答辯決議書5-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-13
  • 第一章 緒論13-33
  • 1.1 研究背景13-16
  • 1.1.1 能源結(jié)構(gòu)問題13
  • 1.1.2 全球風電發(fā)展概述13-15
  • 1.1.3 中國風電發(fā)展概述15-16
  • 1.2 風電技術(shù)發(fā)展概述16-22
  • 1.2.1 風電機組發(fā)展狀況16-19
  • 1.2.2 全功率變流器發(fā)展現(xiàn)狀19-22
  • 1.3 感應發(fā)電機風電機組全功率變流器控制技術(shù)概述22-29
  • 1.3.1 經(jīng)典控制方法概述22-27
  • 1.3.2 經(jīng)典控制方法存在的不足27-29
  • 1.4 本文的主要研究內(nèi)容29-33
  • 第二章 網(wǎng)側(cè)變流器的滑??刂蒲芯?/span>33-51
  • 2.1 概述33-34
  • 2.2 SMC 控制器設(shè)計理論34-37
  • 2.2.1 SMC 定義與設(shè)計方法34-36
  • 2.2.2 SMC 不變性原理36-37
  • 2.3 基于 LCL 濾波器的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學模型37-39
  • 2.4 基于 LCL 濾波器的網(wǎng)側(cè)變流器 SMC 技術(shù)39-42
  • 2.4.1 電流 SMC 控制器設(shè)計39-41
  • 2.4.2 基于電流 SMC 控制器的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)41-42
  • 2.5 仿真與實驗結(jié)果分析42-49
  • 2.6 本章小結(jié)49-51
  • 第三章 機側(cè)變流器無速度傳感器控制技術(shù)51-71
  • 3.1 概述51-52
  • 3.2 基于脈沖觀測器的發(fā)電機磁鏈估計52-62
  • 3.2.1 脈沖觀測器設(shè)計52-55
  • 3.2.2 風電系統(tǒng)中磁鏈脈沖觀測器的設(shè)計及應用55-57
  • 3.2.3 仿真結(jié)果與分析57-62
  • 3.3 機側(cè)變流器無速度傳感器控制62-70
  • 3.3.1 基于 MRAS 的轉(zhuǎn)速辨識方案62-65
  • 3.3.2 機側(cè)變流器無速度傳感器控制策略65-66
  • 3.3.3 仿真與實驗結(jié)果分析66-70
  • 3.4 本章小結(jié)70-71
  • 第四章 風電變流器直流母線電壓波動抑制71-97
  • 4.1 概述71-72
  • 4.2 基于無源性理論的風電機組聯(lián)合控制器設(shè)計72-82
  • 4.2.1 無源性控制理論72-74
  • 4.2.2 感應發(fā)電機全功率變流器數(shù)學模型74-76
  • 4.2.3 無源性控制器的設(shè)計76-79
  • 4.2.4 實例仿真驗證79-82
  • 4.3 具有 L2干擾抑制的無源控制器改進82-85
  • 4.3.1 基于無源性控制理論的 L2干擾抑制設(shè)計82-84
  • 4.3.2 仿真結(jié)果與分析84-85
  • 4.4 變流器快速性能約束及功率斜率控制85-92
  • 4.4.1 快速性能約束條件85-88
  • 4.4.2 功率斜率控制88-89
  • 4.4.3 仿真結(jié)果與分析89-92
  • 4.5 實驗結(jié)果與分析92-96
  • 4.6 本章小結(jié)96-97
  • 第五章 感應電機風電機組全功率變流器的增效控制97-115
  • 5.1 概述97-98
  • 5.2 感應發(fā)電機全功率變流器的損耗模型98-105
  • 5.2.1 風力機輸入功率特性99-101
  • 5.2.2 考慮鐵芯損耗的發(fā)電機損耗模型101-103
  • 5.2.3 功率器件損耗模型103-105
  • 5.3 基于損耗模型控制的效率最優(yōu)化方案105-106
  • 5.4 實驗結(jié)果與分析106-113
  • 5.5 本章小結(jié)113-115
  • 第六章 應用超級電容儲能系統(tǒng)實現(xiàn)全功率變流器的性能優(yōu)化115-137
  • 6.1 概述115-116
  • 6.2 SCESS 基本配置116-121
  • 6.2.1 應用環(huán)境與基本拓撲116-118
  • 6.2.2 SCESS 參數(shù)選型118-121
  • 6.3 基于 SCESS 的全功率變流器協(xié)調(diào)控制策略121-129
  • 6.3.1 低頻功率波動抑制控制方案122-126
  • 6.3.2 低電壓穿越協(xié)調(diào)控制方案126-129
  • 6.4 實例仿真驗證129-134
  • 6.4.1 低頻功率波動抑制仿真研究130-132
  • 6.4.2 低電壓穿越仿真研究132-134
  • 6.5 本章小結(jié)134-137
  • 第七章 總結(jié)與展望137-141
  • 7.1 論文工作總結(jié)與創(chuàng)新點137-138
  • 7.2 進一步工作展望138-141
  • 參考文獻141-151
  • 附錄151-153
  • 致謝153-155
  • 攻讀博士學位期間已發(fā)表或錄用的論文155-156


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