无刷双馈风力发电系统的自抗扰控制研究

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(brushless doubly-fed machines，BDFM)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(brushless doubly-fedgenerator，BDFG，即BDFM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BDFG转子速d-q轴电压电流方程式，在Matlab/Simulink平台上建立了BDFG的仿真模型，对其运行特性进行仿真分析。在此基础上，为使BDFG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BDFG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BDFG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Matlab/Simulink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，将自抗扰控制(auto-disturbance rejection control，ADRC)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Matlab/Simulink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。