基于永磁無刷直流電動機的風力機模擬系統(tǒng)研究.pdf

1、風力機模擬系統(tǒng)采用電動機模擬真實風場環(huán)境下風力機的輸出特性，以驅(qū)動風力發(fā)電機運行，其不受自然環(huán)境限制，可靈活地設定實驗條件，有效地提高了研究效率，是實驗室環(huán)境下進行風力發(fā)電技術(shù)研究的基礎。無刷直流電機具有功率密度高、控制簡單的優(yōu)點，基于無刷直流電機實現(xiàn)風力機特性模擬時，有利于簡化系統(tǒng)的控制復雜性；同時對于優(yōu)化無刷直流電機的控制性能、拓展其應用范圍也具有重要的理論和應用價值。
　　本文的研究內(nèi)容緊密圍繞基于無刷直流電機的風力機模擬系

2、統(tǒng)的控制技術(shù)展開，結(jié)合理論推導、仿真分析和實驗驗證等方法，重點對風力機建模、動靜態(tài)特性的模擬策略、模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性、模擬準確性以及采用無刷直流電機作為模擬電機時的控制方法進行了研究。
　　風力機特性模擬需要建立實際風機系統(tǒng)的數(shù)學模型，以提供模擬參考。為此首先對風速、風力機和傳動機構(gòu)的建模展開研究，采用適于隨機信號描述的自回歸模型構(gòu)建了隨機風速模型，并基于曲線擬合的方法得到了GE1.5MW風力機的氣動功率模型。在此基礎上，提出基于相似

3、原理和標幺值方程一致準則構(gòu)建大功率風力機縮比模型的建模方法，以縮比后的風力機模型作為模擬參考，可使小功率電機反映實際大功率風力機的運行特性，提高了模擬可信度。
　　在構(gòu)建了實際機組的數(shù)學模型后，考慮摩擦系數(shù)差異對穩(wěn)態(tài)時機械功率輸出的影響，采用機電類比的方法，推導了基于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的風力機穩(wěn)態(tài)特性模擬策略，并對采用無刷直流電機實現(xiàn)該模擬策略時的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法進行了研究。為解決無刷直流電機非理想梯形波反電動勢對其轉(zhuǎn)矩控制的影響，設計

4、了滑模觀測器對反電動勢進行實時觀測；定量分析了電阻、電感參數(shù)偏差對觀測結(jié)果和轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果的影響；并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，提出了電機定子參數(shù)的在線辨識方法，從而有效地增強了滑模觀測器的參數(shù)抗擾性與觀測精度。在此基礎上，對無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)調(diào)制策略進行研究，推導了每個開關(guān)周期所需的占空比值，并將反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩觀測值用于占空比計算，提高了非理想反電動勢情況下，無刷直流電機轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)跟蹤性能。
　　風力機動態(tài)

5、特性的模擬需要補償模擬電機與實際風機之間轉(zhuǎn)動慣量的差異，且補償量正比于系統(tǒng)加速度。為準確獲取無刷直流電機的加速度值，提出以反電動勢歸一化值作為位置信號源，利用擴展卡爾曼濾波器從中估計電機加速度的方法。估計算法中所需的反電動勢來自于滑模觀測結(jié)果，而歸一化處理可減小信號中的高次諧波含量并消除轉(zhuǎn)速和磁鏈系數(shù)的影響，從而有利于位置信號的提取以實現(xiàn)加速度估計；同時估計算法考慮了電磁轉(zhuǎn)矩對加速度的影響，使得估計結(jié)果具有較快的響應速度。
　　在

6、實現(xiàn)加速度的準確獲取后，對這種動態(tài)特性模擬策略的適用范圍進行研究。首次對離散化控制作用下的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析，通過推導模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù)，給出了可模擬的風力機轉(zhuǎn)動慣量最大值。為拓展轉(zhuǎn)動慣量的模擬范圍，推導了加速度反饋回路增加低通濾波器后的系統(tǒng)特征根，闡述了濾波對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有益作用，并對保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最小濾波時間常數(shù)進行了計算。在此基礎上，采用頻域特性曲線對比的方法，分析模擬系統(tǒng)在離散化控制和濾波器作用下的模擬準確性，得

7、到了可準確復現(xiàn)實際風力機動態(tài)特性的頻帶范圍。
　　加速度反饋的模擬策略在實現(xiàn)大慣量風力機模擬時，必須增加低通濾波器以保證系統(tǒng)穩(wěn)定但會降低模擬準確性。為解決穩(wěn)定性與準確性之間的矛盾，提出了基于負載轉(zhuǎn)矩觀測的風力機模擬策略，并對采用該模擬策略后的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性與模擬準確性進行了詳細分析。設計了滑模狀態(tài)觀測器對模擬策略中所需的負載轉(zhuǎn)矩值進行實時觀測，并分析了機械參數(shù)偏差對觀測結(jié)果的影響；根據(jù)觀測誤差與參數(shù)偏差的符號關(guān)系，提出了兩段式的機

8、械參數(shù)辨識方法，實現(xiàn)了摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)動慣量的獨立辨識，從而可有效地避免參數(shù)誤差對模擬效果產(chǎn)生的不利影響。在此基礎上，對模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù)進行了推導與分析，分析結(jié)果表明，采用該模擬策略后，模擬系統(tǒng)與實際風力機具有相同的判穩(wěn)條件，離散化控制不會引入額外的不穩(wěn)定因素；相較于加速度反饋的模擬策略，基于負載轉(zhuǎn)矩觀測的模擬策略穩(wěn)定性更高，且可在更寬的頻帶范圍內(nèi)準確地模擬實際風力機特性。
　　最后，采用實時仿真器RT-LAB作為控制器，設計