感应电机风电机组全功率变流器控制和优化

【摘要】：随着日益加剧的环境污染和能源短缺问题，风能作为最有发展空间的可再生洁净能源之一，近年来在全球范围内得到广泛开发，从而带动了风力发电技术的快速发展与不断创新。在风力发电机组中，基于鼠笼感应发电机的全功率型变流器风电机组以其结构简单、可靠性高、维护成本低等优点得到广泛应用，尤其在海上风电领域已成为普遍采用的一类机型。针对鼠笼感应电机风电机组全功率变流器，传统控制策略存在稳定性、控制性能、效率与可靠性方面的明显不足。因此，进一步优化全功率变流器性能，提高机组控制性能、效率与可靠性具有重要意义。本文分别从以下几个方面讨论该类型机组的控制与优化问题。 1．对于采用LCL滤波器的网侧变流器，为改善控制系统稳定性能并提高控制器应对参数变动以及外部扰动的鲁棒性，提出了一种基于滑模技术的网侧变流器控制系统设计方案。文章通过建立网侧电流多阶误差方程，在此基础上设计了电流滑模控制器；并提出用PI调节器直流母线电压外环与滑模电流内环的级联式控制结构，由此设计了采用LCL滤波器的网侧变流器控制系统。仿真与实验结果验证了滑模控制器能达到控制要求并具有很好的鲁棒性。 2．对于机侧变流器，为提高控制性能、增加可靠性并降低硬件成本，对感应发电机无速度传感器的观测技术进行研究，提出一种基于离散输入的闭环转子磁链观测器的设计方案，给出一组用线性矩阵不等式描述的约束条件以保证观测误差渐近稳定；基于模型参考自适应方法研究发电机转速估计的工程实现方案。详细探讨了观测器设计中直流偏置的抑制方法。仿真与实验结果验证了磁链观测器设计以及无速度传感器控制实现方案的有效性。 3．为提高直流母线电压动态响应速度，减少母线电容容量，研究了直流母线电压波动抑制的优化控制方案。建立了机组整体欧拉-拉格朗日模型，以无源性控制理论为基础，设计了机侧、网侧变流器联合控制器，并通过对系统平衡点的优化配置改善系统动态性能。针对实际应用中由于模型参数不确定导致无源性控制性能下降的问题，提出具有L2增益抑制的无源性控制器参数设计方法。分析机组快速性能的约束条件，提出采用功率斜率控制方法进一步优化系统的动态性能。仿真与实验结果验证了所提出控制方法的有效性。 4．为提高机组发电效率、降低系统损耗，提出一种基于系统损耗模型的节能优化控制方案。同时考虑含铁芯损耗的感应发电机损耗模型以及功率变流器的损耗模型，在不同风速下，建立发电机转速、转矩与转子磁链的最优工作点，将其应用到机侧变流器的矢量控制中；并对不同风速时机组采用节能算法下的损耗情况与优化效果进行了分析。实验结果验证了理论方法正确性。 5．为抑制机组稳态工况下功率的低频波动以及提高故障工况下机组的低电压穿越能力，提出采用超级电容储能系统来改进机组并网性能，给出了超级电容储能系统参数的设计方案，并提出系统稳态情况下抑制功率低频波动的协调控制方案以及电网故障情况下低电压穿越的协调控制方案。对协调控制中各变流器环节的控制算法以及切换过程进行了详细描述。仿真验证了参数设计方案以及系统协调控制方案的正确性。 【关键词】：鼠笼感应发电机 全功率变流器 滑模控制 无速度传感器控制 动态响应 节能优化 超级电容储能系统
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TM46
【目录】：

• 上海交通大学博士学位论文答辩决议书5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 研究背景13-16
• 1.1.1 能源结构问题13
• 1.1.2 全球风电发展概述13-15
• 1.1.3 中国风电发展概述15-16
• 1.2 风电技术发展概述16-22
• 1.2.1 风电机组发展状况16-19
• 1.2.2 全功率变流器发展现状19-22
• 1.3 感应发电机风电机组全功率变流器控制技术概述22-29
• 1.3.1 经典控制方法概述22-27
• 1.3.2 经典控制方法存在的不足27-29
• 1.4 本文的主要研究内容29-33
• 第二章 网侧变流器的滑模控制研究33-51
• 2.1 概述33-34
• 2.2 SMC 控制器设计理论34-37
• 2.2.1 SMC 定义与设计方法34-36
• 2.2.2 SMC 不变性原理36-37
• 2.3 基于 LCL 滤波器的网侧变流器数学模型37-39
• 2.4 基于 LCL 滤波器的网侧变流器 SMC 技术39-42
• 2.4.1 电流 SMC 控制器设计39-41
• 2.4.2 基于电流 SMC 控制器的网侧变流器控制系统41-42
• 2.5 仿真与实验结果分析42-49
• 2.6 本章小结49-51
• 第三章 机侧变流器无速度传感器控制技术51-71
• 3.1 概述51-52
• 3.2 基于脉冲观测器的发电机磁链估计52-62
• 3.2.1 脉冲观测器设计52-55
• 3.2.2 风电系统中磁链脉冲观测器的设计及应用55-57
• 3.2.3 仿真结果与分析57-62
• 3.3 机侧变流器无速度传感器控制62-70
• 3.3.1 基于 MRAS 的转速辨识方案62-65
• 3.3.2 机侧变流器无速度传感器控制策略65-66
• 3.3.3 仿真与实验结果分析66-70
• 3.4 本章小结70-71
• 第四章 风电变流器直流母线电压波动抑制71-97
• 4.1 概述71-72
• 4.2 基于无源性理论的风电机组联合控制器设计72-82
• 4.2.1 无源性控制理论72-74
• 4.2.2 感应发电机全功率变流器数学模型74-76
• 4.2.3 无源性控制器的设计76-79
• 4.2.4 实例仿真验证79-82
• 4.3 具有 L2干扰抑制的无源控制器改进82-85
• 4.3.1 基于无源性控制理论的 L2干扰抑制设计82-84
• 4.3.2 仿真结果与分析84-85
• 4.4 变流器快速性能约束及功率斜率控制85-92
• 4.4.1 快速性能约束条件85-88
• 4.4.2 功率斜率控制88-89
• 4.4.3 仿真结果与分析89-92
• 4.5 实验结果与分析92-96
• 4.6 本章小结96-97
• 第五章 感应电机风电机组全功率变流器的增效控制97-115
• 5.1 概述97-98
• 5.2 感应发电机全功率变流器的损耗模型98-105
• 5.2.1 风力机输入功率特性99-101
• 5.2.2 考虑铁芯损耗的发电机损耗模型101-103
• 5.2.3 功率器件损耗模型103-105
• 5.3 基于损耗模型控制的效率最优化方案105-106
• 5.4 实验结果与分析106-113
• 5.5 本章小结113-115
• 第六章 应用超级电容储能系统实现全功率变流器的性能优化115-137
• 6.1 概述115-116
• 6.2 SCESS 基本配置116-121
• 6.2.1 应用环境与基本拓扑116-118
• 6.2.2 SCESS 参数选型118-121
• 6.3 基于 SCESS 的全功率变流器协调控制策略121-129
• 6.3.1 低频功率波动抑制控制方案122-126
• 6.3.2 低电压穿越协调控制方案126-129
• 6.4 实例仿真验证129-134
• 6.4.1 低频功率波动抑制仿真研究130-132
• 6.4.2 低电压穿越仿真研究132-134
• 6.5 本章小结134-137
• 第七章 总结与展望137-141
• 7.1 论文工作总结与创新点137-138
• 7.2 进一步工作展望138-141
• 参考文献141-151
• 附录151-153
• 致谢153-155
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文155-156

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