九相定子永磁风力发电机控制技术研究

摘要

由于化石能源储备有限且其使用易对环境造成污染，使得清洁能源受到很大的关注。我国政府把开发无污染的可再生能源作为能源发展的重中之重，在众多清洁能源中，风能因其丰富的蕴藏量和清洁无污染的特点具有广阔的发展前景。
　　目前，在风电工业界，直驱型永磁同步风力发电系统因省去了齿轮箱，减少了安装和维护费用，可靠性高等优点非常适合于海上风电这种运行维护成本高的场合。但是，传统永磁同步风力发电机的永磁体安装在转子表面不易散热，会导致永磁体发热甚至损坏。所以本文针对一台结构新颖的九相定子永磁风力发电机进行研究，永磁体和绕组均在定子上易于冷却，大大降低了永磁体因高温导致退磁的风险。研究内容包括基于传统最大矢量开关表的直接转矩控制(DTC)策略以及基于电压空间矢量脉宽调制策略的直接转矩控制(DTC-SVM)策略;基于直接转矩控制最大风能跟踪控制策略，基于RBF神经网络进行风速估计并考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制策略。为验证上述所提控制策略的正确性与有效性，在Matlab/Simulink里进行了仿真验证，构建实验平台进行了实验验证。此外，针对一台现代大型风力机进行了变桨控制策略研究，包括滑模变桨距控制策略以及基于模糊调节边界层准滑模变桨优化控制策略，对所提控制策略进行了仿真验证。
　　论文主要研究内容如下:
　　1、分析了九相定子永磁风力发电系统的总体结构，建立了相应的数学模型，依据所建立的数学模型搭建了系统仿真模型。
　　2、分析了九相定子永磁风力发电机的DTC策略，包括基于开关表DTC以及DTC-SVM控制策略，并对上述两种控制策略进行了仿真和实验研究。
　　3、提出了基于直接转矩最大风能跟踪控制策略，并针对损耗转矩无法精确计算所导致的效率降低问题，设计了基于风速估计考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制策略。
　　4、设计了滑模变桨控制器，并在传统滑模变桨距控制的基础上分析了边界层宽度对控制效果以及桨距角执行机构疲劳载荷的影响，针对变桨执行机构的抖振问题提出了模糊调节边界层的准滑模变桨控制策略。
　　5、搭建了以dSPACE DS1005为控制核心的九相定子永磁风力发电机实验平台，基于此平台对所提控制策略进行实验研究，验证了所提控制策略的正确性。

目录

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摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 风力发电系统概述

1．2．1 风力发电系统结构

1．2．2 风力发电系统控制技术

1．3 风力发电研究与发展现状

1．3．1 海上风电与低风速风场

1．3．2 风力发电机的发展

1．4 课题研究内容

第2章 九相定子永磁风力发电机组数学模型

2．1 引言

2．2 九相定子永磁风力发电机组总体结构

2．3 九相定子永磁风力发电机组数学模型

2．3．1 风速模型

2．3．2 风力机模型

2．3．3 传动系统模型

2．3．4 桨距角执行机构模型

2．3．5 九相定子永磁风力发电机模型

2．4 本章小结

第3章 九相定子永磁风力发电机直接转矩控制技术研究

3．1 引言

3．2 基于九相定子永磁风力发电机直接转矩控制

3．2．1 电压矢量的选择

3．2．2 九相定子永磁风力发电机直接转矩控制

3．2．3 仿真研究

3．2．4 实验研究

3．3 基于九相定子永磁风力发电机DTC-SYM控制

3．3．1 九相定子永磁风力发电机DTC-SVM控制原理

3．3．2 九相定子永磁风力发电机SVPWM技术

3．3．3 仿真研究

3．3．4 实验研究

3．4 本章小结

第4章 九相定子永磁风力发电机控制策略研究

4．1 引言

4．2 风力机模拟

4．2．1 直流电机模拟风力机的特性原理

4．2．2 仿真研究

4．2．3 实验研究

4．3 基于直接转矩最大风能跟踪控制策略研究

4．3．1 基于直接转矩最大风能跟踪控制原理

4．3．2 仿真研究

4．3．3 实验研究

4．4 基于风速估计并考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制

4．4．1 基于风速估计并考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制策略

4．4．2 仿真研究

4．4．3 实验研究

4．5 本章小结

第5章 风力机变桨距控制

5．1 引言

5．2 风力机滑模变桨控制策略

5．2．1 滑模变结构控制原理

5．2．2 滑模变桨控制器设计

5．2．3 仿真研究

5．3 基于模糊调节边界层准捐模变桨优化控制

5．3．1 准滑模控制

5．3．2 基于模糊调节边界层准滑模变桨优化控制

5．3．3 仿真研究

5．4 本章小结

第6章 九相定子永磁风力发电系统实验研究

6．2 系统测试平台搭建

6．3 基于dSPACE的电机控制系统及硬件设计

6．3．1 基于dSPACE的电机控制系统

6．3．2 电流电压采样电路

6．3．3 驱动电路

6．4 系统软件平台设计

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果