新型无刷双风轮直驱风力发电机组及其控制技术研究
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随着全球经济的快速发展,能源枯竭和环境污染问题己愈来愈严重。世界各国都积极开发和利用各种可再生、无污染、低成本的新能源。风能系统特别是风力发电系统的研制与开发已成为新能源技术领域的研究热点和重点。变桨距控制、变速恒频等先进技术是风力发电技术的研究重点。本文所提出的无刷双风轮直驱风力发电系统采用双风轮直驱,通过对双风轮进行变桨距控制,可以实现该机组的变速恒频。为我国研究和开发具有独立知识产权的新型风力发电机组提供了一种新思路。本文结合国家863计划项目“绕线型无刷双馈风力发电机及控制装置”,对无刷双风轮直驱发电机组及控制系统进行了较为系统的研究。首先研究了无刷双风轮直驱风力发电机组的结构和工作原理,分析了其在变速恒频状态下的运行特性,并给出了具体的运行方案。基于无刷双风轮直驱风力发电机组的结构和工作原理,建立了两相旋转坐标系下的数学模型及MATLAB/Simulink环境下的仿真模型,并进行了仿真研究。本文利用工业控制微机PC104作为主控器,数字信号处理器TMS320F2812作为前置机,设计了数字化的独立变桨距控制系统,并对变桨距控制系统的关键控制单元进行了详细的研究。主控器和前置机通过CAN串行通信网络进行数据通讯。主控器的软件系统采用多任务实时控制体系,按控制要求合理划分控制任务的界限和控制级别,并为之分配相应的时间资源,大大提高了软件的综合效率。数据采集采用交流采样和数字解析法实现系统有功、无功和频率信号的求解,大大节省了硬件资源。在理论研究的基础上完成了一台样机,并构建了原理性的实验系统,进行了系统的实验研究,为无刷双风轮直驱风力发电机组进一步实用化打下了良好的基础。
摘要 | 第4-5页 |
Abstract | 第5页 |
第一章 绪论 | 第10-18页 |
§1-1 课题的主要意义 | 第10页 |
§1-2 国内外风力发电综述 | 第10-13页 |
1-2-1 国内风力发电综述 | 第10-11页 |
1-2-2 国外风力发电综述 | 第11-13页 |
§1-3 风力发电系统现状及发展 | 第13-14页 |
1-3-1 风力发电系统应用概况 | 第13页 |
1-3-2 无刷双馈系统 | 第13-14页 |
1-3-3 无刷双风轮直驱风力发电机组 | 第14页 |
§1 -4 大型风力发电机组控制技术 | 第14-17页 |
1-4-1 定桨距失速控制与变桨距控制 | 第15页 |
1-4-2 恒速恒频技术与变速恒频技术 | 第15页 |
1-4-3 风力发电系统的几种变速恒频控制方案 | 第15-16页 |
1-4-4 智能控制与常规PID 控制 | 第16-17页 |
§1-5 课题的研究内容 | 第17-18页 |
第二章 无刷双风轮直驱风力发电机的结构与工作原理 | 第18-26页 |
§2-1 无刷双馈电机的基本结构 | 第18-20页 |
2-1-1 级联式无刷双馈电机的基本结构 | 第18-19页 |
2-1-2 无刷双风轮直驱风力发电机的基本结构 | 第19-20页 |
§2-2 无刷双馈电机的工作原理 | 第20-25页 |
2-2-1 双馈感应发电机工作原理 | 第20-22页 |
2-2-2 级联式无刷双馈电机的工作原理 | 第22-23页 |
2-2-3 无刷双风轮直驱风力发电机的工作原理及运行特性分析 | 第23-25页 |
§2-4 无刷双风轮直驱风力发电机运行方案 | 第25-26页 |
第三章 无刷双风轮直驱风力发电机的数学建模及仿真 | 第26-49页 |
§3-1 电机模型与坐标变换 | 第26-30页 |
3-1-1 坐标变换 | 第27-29页 |
3-1-2 三相静止坐标系到任意两相旋转坐标系的变换 | 第29-30页 |
3-1-3 无刷双风轮直驱风力发电机模型框图 | 第30页 |
§3-2 P 侧功率电机的DQ0 坐标系模型 | 第30-34页 |
3-2-1 标准模型(电压、电流方向为标准方向) | 第30-34页 |
3-2-2 考虑电压、电流方向的模型 | 第34页 |
§3-3 C 侧控制电机的DQ0 坐标系模型 | 第34-37页 |
3-3-1 电压方程的变换 | 第34-35页 |
3-3-2 磁链方程的变换 | 第35-37页 |
3-3-3 电磁转矩方程的变换 | 第37页 |
§3-4 无刷直驱双风轮风力发电机仿真 | 第37-49页 |
3-4-1 仿真模型的建立 | 第37-49页 |
第四章 无刷双风轮直驱风力发电机控制系统设计 | 第49-64页 |
§4-1 概述 | 第49-50页 |
§4-2 主控器硬件系统 | 第50-54页 |
4-2-1 核心模块说明 | 第50-54页 |
4-2-2 CAN 通信接口模块 | 第54页 |
§4-3 适配器单元设计 | 第54-56页 |
4-3-1 定子电量信号测量 | 第55页 |
4-3-2 转速测量 | 第55页 |
4-3-3 桨距角测量 | 第55-56页 |
4-3-4 风速及风向测量 | 第56页 |
§4-4 主控制器系统软件设计 | 第56-64页 |
4-4-1 软件系统 | 第56页 |
4-4-2 工控机(PC104 总线)系统软件及应用 | 第56-57页 |
4-4-3 多任务实时控制体系 | 第57页 |
4-4-4 信号采集的软件实现 | 第57-64页 |
第五章 变桨距控制系统设计 | 第64-90页 |
§5-1 变桨距机构控制过程 | 第64-65页 |
5-1-1 风速低于额定风速工况 | 第64-65页 |
5-1-2 风速高于额定风速工况 | 第65页 |
§5-2 变桨距风力发电机组的运行状态 | 第65-66页 |
§5-3 变桨距控制系统概述 | 第66页 |
§5-4 电动变桨距系统 | 第66-68页 |
§5-5 电动变桨距伺服系统 | 第68-70页 |
§5-6 基于矢量控制的永磁同步交流伺服电机控制系统 | 第70-76页 |
5-6-1 矢量控制理论简述 | 第70页 |
5-6-2 矢量控制的实现 | 第70-71页 |
5-6-3 空间矢量PWM 的实现 | 第71-76页 |
§5-7 伺服控制器的软件设计 | 第76-81页 |
5-7-1 系统软件的设计模块框图及其说明 | 第76-77页 |
5-7-2 系统程序设计 | 第77-79页 |
5-7-3 电流环模块设计 | 第79页 |
5-7-4 速度环模块设计 | 第79-80页 |
5-7-5 位置环的设计 | 第80页 |
5-7-6 带积分校正的PI 控制器的设计 | 第80-81页 |
§5-8 伺服控制器的硬件设计 | 第81-85页 |
5-8-1 TMS320F2B12 简介 | 第81-82页 |
5-8-2 电流检测电路 | 第82页 |
5-8-3 光电码盘接口电路 | 第82-83页 |
5-8-4 三相交流逆变电路 | 第83-84页 |
5-8-5 CAN 总线接口设计 | 第84-85页 |
§5-9 实验结果及其分析 | 第85-90页 |
5-9-1 电机的相电流观测 | 第85页 |
5-9-2 电流环实验 | 第85-86页 |
5-9-3 速度环实验 | 第86-88页 |
5-9-4 位置环实验 | 第88-90页 |
第六章 无刷双风轮直驱风力发电机的实验室试验 | 第90-97页 |
§6-1 实验室试验样机 | 第90-91页 |
§6-2 试验系统组成 | 第91-92页 |
§6-3 无刷双风轮直驱风力发电机的试验 | 第92-96页 |
6-3-1 空载试验 | 第92-95页 |
6-3-2 负载试验 | 第95-96页 |
§6-4 试验结论 | 第96-97页 |
第七章 结论 | 第97-98页 |
参考文献 | 第98-102页 |
致谢 | 第102-103页 |
攻读学位期间所取得的相关科研成果 | 第103页 |
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