基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的直驅(qū)永磁風(fēng)電運(yùn)行控制研究

【摘要】：隨著能源危機(jī)和環(huán)境惡化的日益加劇，發(fā)展可再生新能源已經(jīng)成為世界各國的共識(shí)。其中，風(fēng)能以清潔無污染、資源豐富、技術(shù)應(yīng)用成熟以及市場前景廣闊等優(yōu)點(diǎn)在新能源中脫穎而出。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的最主要利用方式，目前已受到人們的廣泛關(guān)注。 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組以無需外部勵(lì)磁、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、維護(hù)成本低、利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)前兆瓦級(jí)風(fēng)電系統(tǒng)的主流機(jī)型。為實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高性能控制，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息是極其關(guān)鍵的，常用途徑是通過安裝機(jī)械傳感器來獲取所需信息，但機(jī)械傳感器的引入將造成系統(tǒng)成本增加、發(fā)電機(jī)體積增大、易受外部環(huán)境干擾、系統(tǒng)可靠性降低等一系列不良影響。為此，研究無傳感器控制理論在直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用就顯得尤為必要，這種方法結(jié)合矢量控制就被稱為無傳感器矢量控制技術(shù)。本文圍繞這一工作展開研究，提出了一種基于滑模觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算算法，并在傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器上作了相應(yīng)地改進(jìn)，并通過仿真和模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主要理論研究成果的正確性和可行性。 首先，對(duì)全球風(fēng)電發(fā)展的背景及意義進(jìn)行了論述，對(duì)當(dāng)前無速度傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和闡述。從風(fēng)能的特點(diǎn)出發(fā)，建立了風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型，接著根據(jù)風(fēng)能最大捕獲原理和風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性，建立了風(fēng)力機(jī)的仿真模型，仿真結(jié)果證明了該模型具有良好的運(yùn)行特性。 其次，根據(jù)雙PWM直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，利用空間矢量法建立了直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電機(jī)組的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。機(jī)側(cè)控制器采用零d軸電流轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSG的控制；網(wǎng)側(cè)控制器采用的是基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。分別建立機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)矢量控制仿真模型，仿真結(jié)果證明了所選控制策略的有效性。 另外，有針對(duì)性地分析了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，為滑模觀測(cè)器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。然后根據(jù)PMSG在兩相靜止軸系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)基于滑模觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算方法進(jìn)行了分析推導(dǎo)。針對(duì)傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器中抖動(dòng)問題突出、估測(cè)精度不高等現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型滑模觀測(cè)器：利用飽和函數(shù)替換不連續(xù)的開關(guān)函數(shù)，以削弱無速度傳感器中因滑模辨識(shí)的感應(yīng)電勢(shì)造成的高頻抖動(dòng)；另外，針對(duì)傳統(tǒng)方法選用低通濾波器提取連續(xù)信號(hào)造成相位延遲的問題，本文構(gòu)建出反電勢(shì)觀測(cè)器取代低通濾波器直接提取反電勢(shì)信號(hào)，省略了相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，改善了估測(cè)精度。最終根據(jù)所作的理論分析和公式推導(dǎo)，建立了基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的直驅(qū)型永磁風(fēng)電矢量控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果證明了改進(jìn)型滑模觀測(cè)器具備良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，估測(cè)精度高、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高性能矢量控制。 最后，根據(jù)上面做的理論基礎(chǔ)工作，搭建了直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電無傳感器矢量控制系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)硬件和軟件部分逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試。利用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)PMSG運(yùn)行，分別在空載、加載及低速實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該估算算法在動(dòng)、靜態(tài)下都具有良好的估測(cè)性能。 【關(guān)鍵詞】：滑模觀測(cè)器 無速度傳感器 風(fēng)力發(fā)電 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī) 矢量控制
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 課題背景及意義11-12
• 1.2 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)12-15
• 1.3 永磁同步電機(jī)無速度傳感器的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容19-21
• 第二章 直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)控制與建模分析21-42
• 2.1 直驅(qū)型永磁風(fēng)電系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行原理21-22
• 2.2 風(fēng)力機(jī)的建模22-26
• 2.2.1 風(fēng)能的計(jì)算22-23
• 2.2.2 風(fēng)力機(jī)特性系數(shù)23-24
• 2.2.3 最大風(fēng)能捕獲原理24-25
• 2.2.4 風(fēng)力機(jī)的建模與仿真25-26
• 2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其矢量控制策略研究26-33
• 2.3.1 d-q 軸系下永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型26-28
• 2.3.2 PMSG 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制28-30
• 2.3.3 帶速度傳感器的 D-PMSG 矢量控制仿真分析30-33
• 2.4 網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的數(shù)學(xué)模型與控制策略33-41
• 2.4.1 三相靜止坐標(biāo)系下 PWM 變流器數(shù)學(xué)模型34-35
• 2.4.2 基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè) PWM 變流器矢量控制35-39
• 2.4.3 網(wǎng)側(cè) PWM 變流器控制策略仿真分析39-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第三章 基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)無傳感器矢量控制42-63
• 3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論42-49
• 3.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制概念43-45
• 3.1.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的品質(zhì)45-46
• 3.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的基本控制策略46-47
• 3.1.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)47-49
• 3.2 傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)49-52
• 3.2.1 電流觀測(cè)器的設(shè)計(jì)49-51
• 3.2.2 轉(zhuǎn)子位置和速度估測(cè)器設(shè)計(jì)51-52
• 3.3 改進(jìn)型滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)52-62
• 3.3.1 飽和函數(shù)53
• 3.3.2 反電勢(shì)觀測(cè)的設(shè)計(jì)53-56
• 3.3.3 基于改進(jìn)型 SMO 的 D-PMSG 無傳感器控制策略仿真分析56-62
• 3.4 本章小結(jié)62-63
• 第四章 D-PMSG 無傳感器矢量控制實(shí)驗(yàn)研究63-73
• 4.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)63-69
• 4.1.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)64-66
• 4.1.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)66-69
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析69-72
• 4.3 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 附錄 A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄79-80
• 附錄 B 攻讀學(xué)位期間所參與的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目80-81
• 致謝81

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