感应电机和风力机转矩控制理论研究与仿真

论文摘要

本论文以感应电机（IM）和风力机（WT）为研究对象,运用MatLab/SimuLink工具对控制系统进行了建模和仿真。针对感应电机的直接转矩控制（DTC）存在的缺点,利用空间电压矢量调制（SVPWM）和无差拍（Dead-beat）控制改善电压矢量实现和参考电压矢量获取环节,运用自校正速度PI环节完成了直接转矩控制的优化;针对大型风力机的控制方法,分析了风力机控制系统组成结构和控制方法以及对部分部件的载荷影响,建立了控制模型并采用滤波器控制得出了初步结果。论文首先分析和介绍了风能和交流调速系统的发展概况,找出直接转矩控制和风力机载荷控制的发展情况。对感应电机结构及特点进行了分析,继而给出了感应电机在任意坐标系下的数学模型;深入探讨了直接转矩控制在感应电机上应用的理论基础,分析了电压矢量对电磁转矩和电机磁链的控制作用,给出了感应电机直接转矩控制原理结构框图;对于经典直接转矩控制的缺陷和无差拍控制的异步电机应用,提出了一种改进无差拍直接转矩控制策略的方法,磁链环节电压矢量经过简单计算得出,转矩环节电压矢量被有效的分解后由转矩PI控制器和转子转速与定子磁链乘积给出,指出转速与定子磁链乘积是保持电机转速和磁链为给定值的基础;基于梯度下降法的速度PI环节的自校正控制的在线增益调节优化了系统响应和转矩脉动控制。借助MatLab/SimuLink工具,对感应电机直接转矩控制系统各环节、SVPWM和速度PI自校正控制进行了仿真建模,实现了经典直接转矩控制和无差拍直接转矩控制仿真实验,得到了与理论分析一致的仿真实验结果。理论分析和仿真实验结果表明,在不影响动态性能的情况下,提高了系统速度响应、磁链轨迹、磁链和转矩跟踪的控制精度,有效地减小了磁链和转矩脉动,保持了良好的转矩动态响应,速度PI环节的效果明显。为设计基于空间电压矢量调制的感应电机直接转矩控制实际系统提供了有效的方法和工具。然后论文分析了大型风力机控制方法,主要为变速风力机的转矩控制。随着风力机的大型化和柔性化,控制方法在变速风力机运行过程对载荷的影响逐渐引起大家的重视。本文分析了风力机运行过程中的各个子系统的联系,建立了统一的变速风力机的控制模型,以传动系统和塔架的左右振动为主要研究对象。从经典控制方法出发,在最大风能捕获状态下利用滤波器实现转矩控制对传动结构和塔架左右振动的抑制效果。借助MatLab/SimuLink工具,完成了连续系统下的仿真建模,利用信号处理工具箱和控制要求设计了相应的滤波器。理论和仿真结果表明,转矩控制能够起到抑制振动的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 交流调速系统发展概况
• 1.1.2 直接转矩控制技术的发展概况
• 1.1.3 风力机控制概况
• 1.2 本论文的研究意义和主要内容
• 1.2.1 本论文的研究意义
• 1.2.2 本论文的主要内容
• 第2章 感应电机动态模型和Simulink
• 2.1 感应电机分类及应用
• 2.2 感应电机动态数学模型
• 2.2.1 感应电机在三相定子坐标系下数学模型
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 感应电机在旋转坐标系下数学模型
• 2.3 MATLAB/SimuLink仿真工具箱简介
• 2.4 本章小结
• 第3章 感应电机直接转矩控制研究
• 3.1 经典直接转矩控制理论与仿真
• 3.1.1 磁链控制原理
• 3.1.2 转矩控制原理
• 3.1.3 滞环比较与开关矢量表
• 3.1.4 控制原理与仿真
• 3.2 无差拍（Dead-beat）直接转矩控制理论与仿真
• 3.2.1 空间矢量脉宽调制（SVPWM）与仿真
• 3.2.2 无差拍直接转矩控制
• 3.3 直接转矩控制仿真结果比较
• 3.4 速度PI环节的自校正控制
• 3.4.1 速度PI环节自校正控制
• 3.4.2 改进速度环节的无差拍仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 风力机转矩控制研究
• 4.1 风力机基础
• 4.1.1 系统描述
• 4.1.2 风力机振动分析
• 4.2 风力机控制建模
• 4.2.1 空气动力学特性
• 4.2.2 传动机构模型
• 4.2.3 塔架模型
• 4.2.4 其它模型
• 4.2.5 风力机模型
• 4.3 风力机控制方法
• 4.3.1 风力机控制基础
• 4.3.2 塔架和传动机构的振动衰减
• 4.3.3 Simulink仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 本人简历