基于定桨距变速风力发电机的转速控制器设计研究

摘要

由于定速风力发电机组在额定风速以下运行时的效果不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入信号来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：在低风速区，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；在高风速区，它能维持机组额定功率运行，使输出功率更加稳定。
　　本文以定桨距变速风力发电机为研究对象，介绍了基于永磁同步发电机的定桨距变速控制策略。采用电流内环转速外环的PI控制方法，通过控制定子电流来控制电磁转矩的大小，进而实现对转速的调节，使得发电机在低风速区能够实现最大功率跟踪、高风速区能够维持功率恒定。使用简单的PI控制器能增强系统的稳定性，并且易于数字化实现。
　　本文采用空间电压矢量控制(SVPWM)技术，SVPWM技术是近年来比较新颖的控制技术，它从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与传统的SPWM技术相比较，绕组电流波形的谐波成分小，电机转矩脉动低，旋转磁场更逼近圆形，而且直流母线电压的利用率有了很大提高，还易于数字化实现。
　　本文在总结前人变速控制理论的基础上，进行了 RTLAB半实物仿真实验，进一步验证变速控制策略的可行性。详细介绍了变速风力机控制器的软件编程步骤，从整体设计软件流程图到局部的算法编写，逐一阐述。重点介绍了滤波算法、PI控制算法和SVPWM控制算法。设计了风力机控制器的硬件电路，给出了具体的电压转换模块、DSP模块、PWM输出模块的电路图。通过 RTLAB硬件在环仿真实验证明本文研究的变速控制策略能够同时实现风力发电机在低风速区的最大功率跟踪和高风速区的恒功率运行。充分显示定桨距变速风力发电机具有低成本及高效的特点。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 风力发电机的功率控制技术

1.3 恒速恒频和变速恒频发电机组[11]

1.4 本课题研究目的和意义

第二章 定桨距变速风力发电机组的变速控制策略

2.1定桨距风力发电机系统概述

2.2 永磁同步电机简介

2.3 电流内环控制器设计

2.4 转速外环控制器设计

2.5 本章小结

第三章 控制器硬件电路设计

3.1 硬件系统总体构架

3.2 电源模块

3.3 控制器电压转换模块

3.4 控制器DSP模块

3.5 本章小结

第四章 控制器软件设计

4.1 DSP2812简介

4.2 软件设计流程图

4.3 功能模块设计

4.4 本章小结

第五章 仿真与实验结果及分析

5.1变速风力发电机MATLAB仿真模型搭建

5.2 RTLAB半实物仿真平台介绍和应用

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文