直驱式永磁同步风力发电机无位置/速度传感器矢量控制研究

摘要

本文以双PWM变换器控制的直驱式永磁同步风力发电系统为研究对象。介绍了系统各组成部分的数学模型；确定了通过对发电机电磁转矩的有效控制实现最大功率追踪的策略；设计了基于转子磁场定向的电流闭环控制系统。在此基础上，在Matlab/Simulink中搭建了有位置/速度传感器直驱风电矢量控制系统的仿真模型，仿真结果表明系统能够实现最大功率追踪，动、静态性能良好。
　　 在αβγ三维坐标系下分析了SVPWM的一般原理，研究了不同零矢量分配方式对电压源型逆变器输出共模电压、直流母线电压利用率、输出电能质量和开关损耗方面的影响，并提出了一种能够有效抑制共模电压的零序分量周期平衡的SVPWM方法。
　　 为了降低风力发电运行成本，克服实际系统中机械式传感器不易装配等问题，本文研究了基于简化卡尔曼滤波器位置/速度估计算法的无传感器控制技术。选取转子位置和转速作为状态变量，两相定子电流作为输入，建立了永磁同步发电机状态估计离散模型，实现对转子位置和速度的准确估计。仿真结果表明，这种方法能够准确估计出电机的转子位置和转速信息，动静态性能良好，并基于此实现了最大功率追踪控制。本文还研究了基于扩展电动势锁相环的发电机转子位置/速度估计方法，仿真比较表明，简化卡尔曼滤波估计算法在稳态、动态估计性能上要优于这种方法。
　　 文章首先完成了双PWM变换器驱动电路的设计。其次，编写了三种SVPWM方法的DSP程序，实验验证了零矢量对SVPWM的影响。然后，进行了风速稳定和突变时的有位置/速度传感器系统的运行实验，实验结果验证了最大功率追踪方案的有效性。最后，编写了简化卡尔曼滤波器估计算法DSP程序，进行了无位置/速度传感器矢量控制系统运行实验，实验结果表明所用估计算法能够准确估计出电子转子位置和转速信息。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1风力发电的背景、意义及发展现状

1.2风力发电技术概述

1.2.1风力机基本特性

1.2.2风力发电机的控制

1.3直驱式永磁同步风力发电系统

1.4课题的来源、意义及研究现状

1.4.1课题的来源、意义

1.4.2位置／速度观测技术研究现状

1.5论文的主要研究内容

第2章直驱式永磁同步风力发电系统数学模型

2.1 PMSG的数学模型

2.1.1 abc坐标系下的PMSG数学模型

2.1.2 αβγ坐标系下的PMSG数学模型

2.1.3dq坐标系下的PMSG数学模型

2.2双PWM变换器模型

2.4本章小结

第3章控制策略研究

3.1最大功率追踪原理

3.2磁场定向的矢量控制

3.3电流控制环节设计

3.3.1 电流调节器的设计

3.3.2解耦及扰动补偿

3.4不同零矢量分配方式对SVPWM的影响研究

3.4.1 零序分量及αβγ坐标系下的SVPWM原理

3.4.2零矢量对共模电压的影响

3.4.3零矢量对直流母线电压利用率的影响

3.4.4零矢量对输出电能质量的影响

3.4.5零矢量对开关损耗的影响

3.5 PMSG最大功率追踪控制仿真研究

3.5.1 PMSG有位置／速度传感器矢量控制仿真研究

3.5.2基于不控整流的直驱风电系统仿真研究

3.6本章小结

第4章转子位置和速度观测技术研究

4.1 基于扩展电动势锁相环的估计方法

4.1.1控制模型的建立

4.1.2仿真研究

4.2简化卡尔曼滤波器估计方法

4.2.1扩展卡尔曼滤波器算法

4.2.2基于简化卡尔曼滤波器的估计方法

4.2.3仿真研究

4.3本章小结

第5章实验系统设计及结果分析

5.1实验样机构成

5.2驱动电路设计

5.3零矢量对SVPWM的影响实验研究

5.4有位置／速度传感器系统运行实验

5.5转子位置／速度的开环观测

5.6带转子位置／速度估计的闭环控制实验

5.7本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢