本文以辽宁省自然科学基金项目和辽宁省科技攻关计划项目为背景,以风力发电用变速恒频无刷双馈发电机为研究对象,根据发电机最大吸收功率与其转速之间的关系,提出采用基于滑模磁链观测方法和无速度传感器控制技术的直接转矩控制方法,通过控制无刷双馈发电机的转速和电磁转矩来实现最大功率跟踪和变速恒频运行,并通过设定控制绕组的磁链给定值来获得最大功率因数。论文的研究内容主要包括以下几个方面：基于风力发电机最大吸收功率与其转速之间的对应关系以及无刷双馈发电机两套定子绕组之间的电磁关系,提出了适用于变速恒频无刷双馈风力发电机的直接转矩控制方案。根据风速变化,以发电机最大吸收功率点所对应的最佳转速值作为直接转矩控制的速度给定,进而获得转矩给定,通过控制无刷双馈发电机的转速和电磁转矩来实现最大功率跟踪控制。在估计转矩的过程中,完成在并网前使功率绕组侧输出电压满足并网条件的任务,从而达到变速恒频运行的目的。该控制方案可同时实现无刷双馈发电机的最大功率跟踪控制和变速恒频运行。此外,采用最大功率因数原则设定控制绕组的磁链给定值,以满足电网对功率因数的要求,提高发电效率。针对无刷双馈风力发电机运行于控制绕组侧励磁电流频率较低时磁链观测鲁棒性较差的问题,基于滑模控制理论来设计控制绕组的磁链观测器。该观测器以控制绕组的电流和磁链作为状态变量,利用电流观测误差对控制绕组的磁链观测值进行校正,并利用Lyapunov理论对所设计的滑模磁链观测器进行稳定性分析,结构简单。为了减小抖振,采用一个连续函数来替代普通滑模观测器中的开关函数。通过与基于常采用的u-i磁链模型反电势积分算法的直接转矩控制系统的运行性能进行仿真比较可以看出,所设计的磁链观测器提高了无刷双馈发电机在控制绕组侧频率较低时磁链估计的准确性,有效地改善了无刷双馈发电机直接转矩控制系统的低频性能。为了提高风力发电直接转矩控制系统的可靠性,使系统更能适用于恶劣的风场环境,针对无刷双馈发电机内部复杂的电磁关系,提出了一种适用的速度估计方法。以两相静止坐标系作为参考坐标系,通过估算转子磁链同步旋转速度和转差速度来估测发电机转速,进而实现无速度传感器控制。由于估算转差速度的准确性易受负载变化的影响,因此在此过程中引入了模糊控制,使无速度传感器控制系统在负载发生变化的情况下仍能准确地估测出无刷双馈发电机的转速,以提高系统的鲁棒性。利用Matlab_Simulink软件进行仿真研究,验证了所提出转速估计方法的正确性,并对比分析了引入模糊控制前后,无速度传感器控制系统估测无刷双馈发电机转速的准确性。以DSP ICETEK-F2812-A为控制核心搭建了变速恒频无刷双馈风力发电机直接转矩控制系统的实验平台,采用直流电动机作为原动机来拖动实验用的无刷双馈发电机。分别在空载和负载的情况下,对无刷双馈发电机直接转矩控制系统的变速恒频控制和最佳给定转速跟踪控制以及滑模磁链观测器的性能进行实验研究,验证了所提出控制方案的正确性和可行性。
