基于dSPACE和电励磁双凸极电机的风轮机模拟器研究

摘要

风能是一种无污染、可再生的绿色能源,人们对风能利用的不断增长必然对风力发电技术提出更高的要求。在风力发电技术的研究过程中,实验研究和验证是必不可少的一个环节。然而,大多数实验室不具备实际风场环境,现场实验难以实现。因此,对风轮机模拟器进行研究,用风轮机模拟器取代实际风轮机,构建实验室内风力发电系统的模拟平台,具有重要的实用价值。
　　 本文采用电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Machine,简称DSEM)构建风轮机模拟器,具体方式为实时控制DSEM的输出转矩,使之符合风轮机的输出转矩特性,从而取代实际风轮机作为电励磁双凸极发电机(Doubly Salient Electro-magnet Generator,简称DSEG)的原动机。为了能够灵活地改变系统参数并快速验证控制策略,本文利用半实物仿真技术的一类应用平台--dSAPCE实时仿真系统作为风轮机模拟器的核心控制器。dSAPCE实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接,实时性好、可靠性高,可将基于MATLAB/Simulink的图形化模型直接编译、下载到实时硬件中,实现DSEM对风轮机特性的模拟。
　　 本文首先介绍了半实物仿真和dSPACE实时仿真系统,介绍了DSEM的基本理论、转矩闭环控制策略及其MATLAB/SimPowerSystems建模。在给出风轮机模拟器总体设计方案的基础上,对风轮机模拟器各个模块的建模方法进行了详细介绍。经过仿真验证后,本文进一步介绍了基于dSPACE DS1104的风轮机模拟器半实物仿真平台的设计与实现,包括系统的硬件构成、快速控制原型的建模方法和ControlDesk综合测试环境的界面设计。
　　 最后,在ControlDesk综合测试界面下对风轮机模拟器进行了调试及实验,实验结果验证了风轮机模拟器设计方案的可行性。由风轮机模拟器和电励磁双凸极发电机共同构成的系统为实验室内开展风力发电技术的研究提供了灵活的实验平台,为课题组的后续实验研究奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 风轮机模拟器研究现状

1.3 课题的目的与意义

1.4 本文的主要研究内容

第二章 基于dSPACE的半实物仿真技术

2.1 引言

2.2 计算机仿真和半实物仿真

2.2.1 计算机仿真

2.2.2 半实物仿真

2.3 dSPACE实时仿真系统介绍

2.3.1 dSPACE实时仿真系统的特点

2.3.2 dSPACE实时仿真系统的软硬件组成

2.4 基于dSPACE的控制系统开发步骤

2.5 基于dSPACE的半实物仿真技术在风力发电研究中的应用

2.5.1 基于dSPACE的两种半实物仿真技术

2.5.2 快速控制原型在风力发电研究中的应用

2.5.3 硬件在环仿真在风力发电研究中的应用

2.6 本章小结

第三章 电励磁双凸极电机的基本理论和转矩闭环控制策略

3.1 引言

3.2 电励磁双凸极电机的基本结构

3.3 电励磁双凸极电机的磁路特性

3.4 电励磁双凸极电机的数学模型

3.5 电励磁双凸极电机的电动工作原理

3.6 电励磁双凸极电机的转矩闭环控制系统的建模

3.7 转矩观测器设计

3.8 本章小结

第四章 基于电励磁双凸极电机的风轮机模拟器的建模与仿真

4.1 引言

4.2 风轮机模拟器设计思路

4.3 风速模型

4.4 风轮机空气动力学特性模型

4.5 基于电励磁双凸极电机的风轮机模拟器的建模与仿真

4.5.1 风轮机转矩-转速特性的模拟

4.5.2 风轮机特性模拟的转动惯量补偿

4.6 本章小结

第五章 风轮机模拟器dSPACE半实物仿真系统的设计

5.1 引言

5.2 风轮机模拟器的总体结构和功能模块划分

5.3 风轮机模拟器dSPACE半实物仿真系统硬件电路

5.3.1 硬件系统构成

5.3.2 逆变电路

5.3.3 光耦隔离电路

5.3.4 DS1104控制板

5.3.5 采样调理电路

5.3.6 过流保护电路

5.3.7 保护锁存电路

5.3.8 PWM驱动保护电路

5.4 风轮机模拟器dSPACE半实物仿真系统的RCP建模方法

5.4.1 RTI接口模块

5.4.2 换相逻辑模块

5.4.3 转速计算模块

5.5 ControlDesk综合测试环境设计

5.6 本章小结

第六章 实验结果与分析

6.1 引言

6.2 系统参数及实验方法

6.3 系统调试

6.3.1 三相位置信号波形

6.3.2 电流闭环实验

6.3.3 转矩闭环实验

6.4 系统实验

6.4.1 风轮机输出转矩-转速特性模拟实验

6.4.2 风轮机转动惯量补偿实验

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文和研究成果