定子内永磁风力发电机的控制技术研究

摘要

随着经济的发展，世界各国对能源和资源的需求将长期处于增长态势。煤炭、石油等常规资源不可再生，而且燃烧石化燃料获取能源的方式导致了日益严重的环境污染问题，因此，人类面临的资源和环境的双重压力促使各国政府普遍重视可再生能源的开发和利用。风能是一种可再生的绿色能源，目前风力发电已成为人们关注的热点并得到了较快的发展。采用永磁发电机的变速恒频风力发电技术具有捕获风能多、效率高、功率密度大、冲击应力小等优势而倍受关注。定子内永磁（Stator Interior Permanent Magnet，SIPM）电机是一种有别于传统转子永磁电机的新型永磁电机，功率密度高、效率高、可靠性高，和双凸极永磁电机和磁通切换永磁电机相比，具有较低的定位力矩，将更适合于风力发电的应用场合。本文以SIPM发电机为核心构建了定子内永磁风力发电系统，围绕其控制技术展开了研究。 首先介绍了三相12/10极SIPM电机的本体结构、工作原理以及静态特性，在此基础上建立了三相SIPM电机在定子和转子坐标系下的数学模型。由于SIPM电机的静态特性和数学模型与转子永磁结构的正弦波永磁同步电机相似，故将在永磁同步电机中已使用的矢量控制方法移植到SIPM电机的控制中。 通过比较研究，提出了背靠背的双PWM变换器作为定子内永磁风力发电机的并网功率接口，为实现SIPM发电机的最大风能跟踪（MPPT）控制，提出了基于发电机侧PWM变换器的矢量控制方法和原理。在MATLAB／Simulink环境下，搭建了仿真模型，仿真运行的结果验证了该控制策略的可行性。 在仿真研究的基础上，进行了风力发电系统的软硬件设计，设计了电流、电压、转速、转子位置等检测电路，基于TMS320F2812型DSP芯片及其外围电路构建控制系统硬件电路，通过DSP软件编程，在控制系统中实现了所提出的矢量控制策略。在此基础上搭建了一套定子内永磁风力发电机实验平台。在实验平台上分别针对恒定风速、阶跃风速以及随机风速三种输入风速进行了实验，实验结果表明所提出的控制策略不仅有效可行，还具有较好的控制效果和较快的响应速度。

目录

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第1章 绪论

§1.1风电发展现状与风电技术

§1.1.1国内外风电发展现状

§1.1.2风力发电技术

§1.2定子永磁电机研究现状

§1.2.1定子永磁电机的发展历程

§1.2.2永磁电机的矢量控制技术概述

§1.3课题来源及主要研究内容

第2章 SIPM电机结构、原理及数学模型

§2.1 SIPM电机的基本结构

§2.2 SIPM电机的基本工作原理

§2.2.1磁通切换原理

§2.2.2 SIPM电机的静态特性

§2.3 SIPM电机的数学模型

§2.3.1定子坐标系下的数学模型

§2.3.2转子坐标系下的数学模型

§2.4本章小结

第3章 定子内永磁风力发电机的控制

§3.1定子内永磁风力发电系统的结构

§3.2风力发电系统的变流电路

§3.3发电机侧PWM变换器的控制

§3.3.1控制目标

§3.3.2最大风能跟踪控制

§3.3.3发电机侧PWM变换器的控制策略

§3.4网侧PWM变换器的控制

§3.5定子内永磁风力发电系统的仿真分析

§3.5.1仿真模型的建立

§3.5.2仿真结果与分析

§3.6本章小结

第4章 控制系统软硬件设计

§4.1系统硬件构成

§4.2 DSP控制器

§4.3检测电路的设计

§4.3.1电信号检测电路

§4.3.2转子转速与位置检测

§4.4控制器的软件设计

§4.4.1主程序流程

§4.4.2 ADC采样中断

§4.4.3数字滤波程序

§4.4.4抗饱和的数字PI调节子程序

§4.4.5 SVPWM的DSP实现

§4.5本章小结

第5章 实验调试与分析

§5.1实验平台

§5.1.1实验系统结构

§5.1.2实验硬件

§5.2实验调试

§5.2.1电流、电压的检测

§5.2.2转速检测

§5.2.3转子位置检测

§5.3实验研究

§5.3.1恒定风速

§5.3.2阶跃风速

§5.3.3随机风速

§5.4本章小结

第6章 总结和展望

§6.1全文总结

§6.2课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文