摘 要

随着能源危机的加剧和环境污染的蔓延，人们越来越重视新能源的开发。因此，发展适用于新能源的发电机也受到了关注。无刷双馈发电机是一种新型发电机，与其他的发电机相比有如下优势：取消了滑环和电刷，既提高了系统的可靠性又降低了电机的成本，并能独立调节有功、无功功率。无刷双馈发电机还能变速恒频发电,在类似船舶轴带发电和风力发电领域应用前景很广阔。自抗扰控制是一种在非线性比例－积分－微分（PID）控制加以改进的策略，突出特点是不依赖系统模型，在控制对象有不确定性扰动或参数发生变化时，具有较强的鲁棒性和自适应性，目前已成功在 BDFG 发电系统的功率解耦控制中运用。 本毕业设计，在独立运行无刷双馈发电系统负载变换器采用暂态过程只补偿稳态无功电流分量的补偿策略，并采用改进的无功电流检测算法以及滑动均值滤波器提高了检测无功电流稳态分量的快速性，提出了一种基于自抗扰控制的独立运行无刷双馈发电系统负载侧变换器自抗扰滤波算法。以期进一步优化仿真，提高供电质量。并将其与现有PID算法进行比较，验证自抗扰滤波技术的优越性。

关键词：无刷双馈发电机;暂态无功电流补; 无功电流稳态分量检测;PID算法 ;自抗扰控制

Abstract

With the intensification of the energy crisis and the spread of environmental pollution, more and more attention has been paid to the development of new energy sources. Therefore, the development of generators suitable for new energy sources has also attracted much attention. The brushless doubly fed machine is a new kind of generator, compared with other generator has the following advantages: the abolition of the slip ring and brush, which improves the reliability of the system and reduces the cost of the motor, and can the independent regulation of active and reactive power. Brushless doubly fed generator (BDFG) can also generate variable speed constant frequency power generation, which has a bright future in similar fields such as ship shaft power generation and wind power generation. ADRC is a nonlinear proportional integral differential (PID) control strategy is improved, the prominent characteristic is not depend on the model of the system, in the control object is uncertain disturbances or changes, has strong robustness and self adaptability, and has become the power in the power decoupling control of BDFG power generation in the system. This graduation design, the independent operation of brushless doubly fed generator system load converter with only transient steady-state compensation reactive current component compensation strategy, and the rapid improvement of reactive current detection algorithm and sliding mean filter to improve the detection of reactive current steady components, this paper presents a load side converter ADRC algorithm of brushless doubly fed generator system based on ADRC for independent operation. In order to further optimize the simulation and improve the quality of power supply. And compare it with the existing PID algorithm to verify the superiority of adrc.

Keywords: Brushless doubly fed generator (BDFG) , transient reactive current compensation, reactive current, steady-state component detection, PID algorithm, auto disturbance rejection control (ADRC)

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 无刷双馈电机的研究现状   1

1.3自抗扰控制研究现状 2

1.4本文的工作 3

第2章 无刷双馈发电机 4

2.1无刷双馈电机的基本架构 4

2.1.1无刷双馈电机的演变过程 4

2.1.2无刷双馈电机定子结构和绕组连接形式 7

2.2无刷双馈电机的能量关系 10

2.3无刷双馈发电机原理 12

2.4 BDFG 数学模型 13

2.5 BDFG仿真模型 14

第3章 独立运行无刷双馈发电系统负载侧变换器暂态无功电流补偿 15

3.1独立运行无刷双馈发电系统结构 15

3.2 LSC的暂态无功电流补偿策略 16

3.3无功电流稳态分量检测方法 16

第4章 自抗扰控制技术 18

4.1自抗扰控制技术概况 18

4.2自抗扰控制器的基本原理 19

4.3自抗扰控制器的结构 19

4.4自抗扰控制器仿真模型 20

第5章 仿真结果分析 21

第6章 总结 24

附录A 27

附录B 28

附录C 29

致谢 34

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

无刷双馈发电机(BDFG)作为一种新型交流电机,它既有异步电机又有同步电机的优点,不仅运行可靠、结构坚固,在无刷情况下可以实现双馈运行,而且具有变频器容量小、功率因数和转速都可调等特点。因此,BDFG在水力发电、风力发电系统中发展前景很广阔,在近年来广受关注。

然而,由于BDFG还有一些问题尚未得到很好解决，比如控制策略不成熟、转子绕组谐波含量大以及参数计算复杂等,因此至今没有商用产品的产生。目前,对BDFG综述论文已有报道,但仅限于数学模型和控制策略的介绍,并没有介绍BDFG一些最新的发展,对其运行稳定性以及参数计算等理论和技术方面的研究，很少有突破性的进展，使用自抗扰技术来控制研究无刷双馈发电机也只是约有研究。

1.2 无刷双馈电机的研究现状  

无刷双馈发电机(BDFG)是一种坚固可靠、结构简单、在异同步运行都能通用的电机,在无刷情况下可实现双馈运行。它具有高效率、功率因数和转速可调的特点,可应用于变速恒频发电系统中。 

无刷双馈电机的起源来自于串级感应电机发展而来。串级感应电机是由两台绕线式异步电机通过同轴串级连接而获得。这种方法首先由德国的Gorges和美国的Steinmetz在1893年发现。由于采用这种方法可以在低速运行，所以引起了人们广泛的关注。为了提高运行性能和节约成本,曾经有几次尝试发展单一机组串级电机,Hunt对此贡献最大。Hunt电机提出了一种更先进可行的理论。这种电机的定子绕组有不同极数,并且和转子绕组具有一个共同的磁路。在电阻控制的方式下，它能获得转速控制和高启动转矩,实现无刷化。后来Greedy为之设计了灵巧的定转子绕组，对这种电机进行了改进。但是由于绕组设计上的限制很大及定转子绕组极数之间的配合，该电机没有进入实用。 

自从70年代Hunt电机由Broadway等进行了较大的改进，对转子绕组进行了简化，并进一步扩大定转子绕组极数之间配合的范围，使自串级无刷异步电机理论得到优化。后来Broadway又在极变换绕组中使用相调制理论,从而使定子绕组达到了对称化,定子绕组得到了简化,使普通双层绕组经过适当的连接来得到它,这为BDFG电机进入实用打下了基础。 

无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型在80年代末90年代初开始建立，为BDFG的控制性能和动态仿真上的优化铺下了良好的道路。各种控制方法 如模型参数自适应控制、标量控制、直接转矩控制、磁场定向控制等等被应用于BDFG，。而微处理器和电力电子器件的进一步发展，如IGBT、8XC196、DSP等，再次促进了BDFG的发展。 

从 上世纪 70 年代以来，Newcastle 大学、英国的 Cambridge 大学、澳大利亚的 Oregon 州立大学、Ohio 州立大学、美国 Wisconsin 大学等高等学校都对无刷双馈电机各方面问题都进行了更加深入地研究。国外的机构以无刷双馈电机的不同研究对象为标准分为两大派，其中一个是英国剑桥大学和美国 Oregon 州立大学等研究团队，他们的研究对象是鼠笼型转子结构的无刷双馈电机；而另一个是 Ohio 州立大学和 Wisconsin 大学等研究团队，他们的研究对象是磁阻型转子结构的无刷双馈电机。两派对两种转子结构的无刷双馈电机有着不同的研究方法，所以形成了两套不同的研究体系。而在国内，20世纪 80年代末沈阳工业大学研究团队首先开始研究无刷双馈电机，并得到了国家自然科学基金项目的鼓励和支持，随后的华南理工大学、太原理工大学、西安交通大学、浙江大学、重庆大学也相继开展了无刷双馈电机的研究工作。目前国内外对无刷双馈电机的研究主要集中于电机的等效电路模型、参数计算及电机的结构设计等方面。近几年来，随着风力发电技术的蓬勃发展，在风力发电领域的控制策略研究中使用无刷双馈电机也受到了很大的关注。 

1.3自抗扰控制研究现状

PID 控制器在工业过程控制中有着广泛的应用。 然而,随着科学技术的发展，人们对控制速度和精度的要求越来越高,并且对环境变化的适应能力的要求也不断上升 , 经典 PID 的缺点慢慢显露出来。 韩京清研究员根据自抗扰控制技术构建的自抗扰控制器,改进了经典 PID 控制器的缺陷,具有适应范围广、算法简单 、系统响应快等特点, 现已应用于电力、 化工、航天、 航空等领域。

自抗扰控制技术是一种新的控制系统综合方法，它的目的是为了适应数字控制的需要。自抗扰控制器的产生是由PID控制器演变出来，继承并发展了PID误差反馈控制的核心理念。PID控制的控制信号为把输出于参考输入做差，然而会引起响应超调性与快速性的矛盾出现。自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(tracking differentiator)，扩展状态观测器(extended state observer)和非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state error feedback law)。跟踪微分器的主要作用是安排系统过渡的过程，给出合适的控制信号，解决响应超调性与速度之间的矛盾。扩展状态观测器是用来解决外部未知扰动综合与模型未知部分。扩展状态观测器与普通的状态观测器有差别。扩展状态观测器产生了一个扩展的状态量来全程跟踪外部未知扰动与模型未知部分对控制对象的干扰，然后对这些扰动给出控制量补偿，从而把控制对象转变为普通的积分串联型控制对象。设计这样的扩展状态观测器的目的就是为了观测扩展出来的状态变量，对控制对象未建模部分和未知扰动做出估计，从而使动态系统的反馈线性化，把控制对象转变为积分串联型。非线性误差反馈控制律是用来提供被控对象的控制策略。使用自抗扰技术设计的控制器,具有算法简单、精度高、超调小、收敛速度快、抗干扰能力强等特点,在高性能武器系统控制、发电机励磁控制和高速精加工机床控制中得到广泛的实际应用,应用前景相当广阔。

自抗扰控制技术自从提出多年以来，已经在国内外得到了广泛的应用。在美国，自抗扰控制技术已被运用于机喷气发动机控制。在日本，自抗扰控制技术也在温度控制和高精度位移控制方面得到运用。在国内，精密机械加工、军工系统、电力系统、化工系统等领域里也成功对自抗扰控制技术熟悉运用起来。

1.4本文的工作

本文研究的课题为独立运行无刷双馈发电系统负载侧变换器自抗扰滤波研究 ，论文工作主要包括以下几方面的内容：

1.掌握独立运行无刷双馈发电系统负载侧变换器的运行原理和基本研究方法。