永磁直驱风电变流器电流控制系统的设计与优化研究

【摘要】：随着传统化石能源的日益枯竭和全球生态环境的严重恶化,可再生能源的并网发电已成为当前清洁能源利用的研究热点。其中,风力发电得到了世界各国和地区的重视。永磁直驱式风力发电机组具有可靠性好、发电效率高、故障穿越能力强等技术优点,而电流控制则是决定上述机组运行性能的关键所在。为此,本文围绕永磁直驱式风力发电机组,针对其电流控制系统(包括滤波器、电流调节器和锁相环等因素在内)的设计和优化方法进行深入、细致的研究,并取得了以下研究成果： (1)针对T型LCL滤波结构,在满足并网要求的前提条件下,本文提出了一种尽量减少电感磁性元件的滤波器参数优化方法。首先,为避免滤波器谐波衰减特性的过设计(滤波电感设计冗余),本文精确分析了空间矢量调制策略下的谐波电压分布特性,并给出了一种谐波电压幅值的计算方法；在此基础上,定义了谐波畸变系数以衡量各次谐波电压对并网电流畸变的影响程度；随后,基于LCL滤波器的数学模型,建立了滤波器参数设计的约束条件,通过递推迭代的设计方式计算并网变换器的谐波最大工作点,并结合图示法优化设计滤波器的参数组合。基于该设计方法,能够准确设计滤波器的谐波衰减特性,有效地降低了滤波电感的设计冗余。 (2)为了改善并网电流控制的静态和暂态响应特性,针对高阶的LCL型并网变换器的电流控制系统,本文提出了一种考虑锁相环性能影响的电流环调节器参数设计和优化方法。首先,考虑数字控制延迟和电网线路阻抗的影响,在连续域内建立了并网电流控制系统的精确静态模型,由此得到准确反映系统响应特性的幅值裕度、相位裕度和静态误差目标函数；在此基础上,根据系统要求适应的电网环境和所需满足的量化性能指标,通过图示法直接得到同时满足各项性能要求的参数取值区域。随后,考虑锁相环动态过程的影响,建立了并网电流控制系统的暂态模型。将其暂态特征方程作为优化设计系统暂态响应特性的目标函数,并进一步通过根轨迹法对已有参数取值区间进行优化,得到性能更优的控制器参数组合。于此同时,本文还提出了一种基于滤波电容支路电压正序分量的前馈控制方法,有效提高了并网电流控制对电网电压扰动的抑制能力。本文以双同步PI电流控制器为设计对象,结合所提控制器参数设计方法和电压前馈控制方法,有效地改善了并网电流控制的动静态响应和并网变换器对电网环境的适应性。 (3)针对永磁同步发电机的矢量控制系统(包括同步定向和定子电流控制),本文提出了一种基于改进的复合预测无差拍控制算法结合同步锁相环的无传感器矢量控制方案。在该方案中,基于传统的无差拍控制算法结构,引入串联补偿的估算反电动势前馈,改善了系统的稳定性、提高了系统的扰动抑制能力；随后,基于Lunberger算法、引入预测权值对定子电流超前一拍预测,有效补偿了数字控制固有一拍滞后的延迟影响；而结合估算反电势的同步锁相环观测模型,则快速准确地实现了转子位置角和转速信息的观测,实现了无传感器的同步定向和速度反馈。在此基础上,考虑数字控制延迟、电机参数失配以及同步定向误差角的影响,建立了无传感器矢量控制系统的精确离散域模型,并基于闭环系统的特征方程,通过Jury稳定判据和闭环根轨迹,对预测无差拍控制器进行优化设计,有效地改善了永磁同步电机无传感器矢量控制的动静态响应和参数鲁棒性。 (4)最后,基于文中所述设计方法,搭建了一套10kW永磁直驱式风力发电系统的模拟实验平台,对永磁直驱式风力发电机组进行了相关的实验验证。实验结果和仿真分析基本一致,证明了本文中所述理论建模分析的正确性以及所提设计和优化方法的有效性。 【关键词】：电流控制 LCL滤波器 同步锁相环 永磁同步电机 复合预测无差拍 无传感器控制
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 研究背景和选题意义12-16
• 1.2 直驱式风力发电技术的研究现状16-25
• 1.3 本文的选题依据25-26
• 1.4 本文的主要研究内容26-28
• 2 LCL滤波器的参数设计与优化方法研究28-54
• 2.1 引言28-29
• 2.2 变换器输出PWM电压的谐波特性分析29-39
• 2.3 LCL滤波器参数组合的设计与优化39-53
• 2.4 本章小结53-54
• 3 考虑锁相环影响的LCL并网变换器电流环参数设计与优化54-83
• 3.1 引言54-55
• 3.2 基于静态目标函数的电流环参数设计55-69
• 3.3 考虑锁相环影响系统暂态稳定性的电流环参数优化69-78
• 3.4 基于滤波电容支路电压正序分量的前馈控制78-79
• 3.5 仿真分析79-82
• 3.6 本章小结82-83
• 4 基于改进预测无差拍的永磁同步电机无传感器控制技术研究83-123
• 4.1 引言83-84
• 4.2 永磁同步电机的矢量控制策略分析84-95
• 4.3 永磁同步电机的复合型预测无差拍电流控制95-107
• 4.4 基于同步锁相的永磁同步电机无传感器控制107-122
• 4.5 本章小结122-123
• 5 永磁直驱式风力发电机组的功能实现123-139
• 5.1 实验机组的各项参数说明123-125
• 5.2 全功率并网变换器的控制系统说明125-128
• 5.3 实验结果分析128-138
• 5.4 本章小结138-139
• 6 全文总结139-142
• 6.1 本文研究内容及成果139-140
• 6.2 未来工作展望140-142
• 致谢142-144
• 参考文献144-153
• 附录：攻读学位期间发表的论文和其他成果153-154

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