基于背靠背CSC直驱风力发电系统PMSG的无传感器控制研究

摘要

目前,针对采用电压型变换器控制的风力发电系统中位置传感器容易受到干扰,并且增加了成本和维修费用等问题,国内外许多学者对无位置传感器算法在风力发电系统中的应用进行了大量的研究。而基于背靠背电流型变换器(CSC)直驱风力发电系统的永磁同步发电机(PMSG)的无位置传感器控制,国内外目前还鲜见相关文献。
　　 本文基于背靠背式电流型变流控制的直驱永磁同步风力发系统,重点研究了基于面向转子磁场定向的PMSG的无位置传感器矢量控制技术。文中基于对PMSG的模型分析,分别对模型参考自适应法、滑模观测器法和锁相环估算法三种PMSG无位置传感器速度估算法进行了深入的分析比较研究和仿真验证。结果表明,由于滑模观测器法算法存在的抖震问题,因而不宜应用于风力发电系统。
　　 基于上述研究,本文提出了适用于基于背靠背CSC直驱风力发电系统PMSG的无位置传感器速度控制算法。该控制算法采用了锁相环估算法和模型参考自适应法分别进行转子位置和转速估算,并与电流型整流器模型和电流型SVPWM调制方法集成,利用估算的转子位置和转速实现电流型直驱风力发电系统的PMSG面向转子磁链定向矢量控制(RFOC)。
　　 本文应用MATLAB／SIMULINK对所提出的控制算法进行了仿真验证。仿真结果表明,基于锁相环的PMSG RFOC方法比基于模型参考自适应的PMSG RFOC方法具有更好的稳态及动态性能。
　　 为了后续验证所提出的控制方法,本文设计了一个10kW基于CSC的永磁直驱风力发电系统实验平台。所涉及的工作包括背靠背电流型主电路器件的选型、输入与输出滤波器以及直流电抗的设计和基于DSP2812+FPGA的控制电路设计。部分实验结果表明:应用DSP2812+FPGA进行SVPWM调制的可行性,以及控制算法的正确性。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 国内外风力发电的发展现状与趋势

1.1.2 风力发电系统的研究现状

1.1.3 电流型变流器在风力发电系统中应用的研究现状

1.2 无位置传感技术在风力发电中的意义与现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 PMSG无位置传感器算法仿真研究

2.1 背靠背电流型直驱风力发电系统结构

2.2 永磁同步电机数学模型

2.3 模型参考自适应方法(MRAS)

2.4 滑模观测器法(SMO)

2.5 基于锁相环估算法(PLL)

2.6 仿真结果分析与比较

2.7 本章小结

第三章 基于背靠背CSC直驱风力发电系统PMSG控制

3.1 三相CSR数学模型

3.2 电流型变流器的空间矢量调制技术

3.2.1 开关状态

3.2.2 空间矢量

3.2.3 作用时间

3.2.4 开关顺序

3.3 基于CSR的PMSG的无位置传感器矢量控制

3.4 本章小结

第四章 基于CSR的PMSG无位置传感器控制算法的仿真分析

4.1 系统建模与仿真

4.2 仿真计算与结果分析

4.2.1 基于模型参考自适应估算法的仿真

4.2.2 基于PLL估算法的仿真

4.2.3 仿真结果分析与比较

4.3 本章小结

第五章 系统实验平台的设计

5.1 硬件系统结构组成

5.1.1 硬件系统结构框图

5.1.2 DSP与FPGA简介

5.2 主电路设计

5.2.1 风力机模拟平台

5.2.2 主电路功率器件选择

5.2.3 输入与输出滤波器设计

5.2.4 直流电抗设计

5.3 控制电路设计

5.3.1 采样电路设计

5.3.2 通信电路设计

5.3.3 电机转速检测电路设计

5.3.4 驱动电路设计

5.3.5 辅助电源设计

5.4 系统软件设计

5.4.1 控制系统主程序流程

5.4.2 中断服务程序

5.5 相关实验

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文