用于风电独立变桨的PMSM设计与控制研究

摘要

随着国家能源安全利用和可再生能源技术不断发展，风电大规模利用已经在世界范围形成热点，兆瓦级风机系统技术日趋成熟且风力资源的利用率也越来越高，正从陆上向海上发展。实际风场受到环境气候和地形地貌影响，风速是不均匀分布的，而且可能超过额定风速甚至达到阵风，这对风机叶片会造成很大的冲击，为保证桨叶能够安全稳定运行并充分利用风能，兆瓦级风机均采用变桨控制系统。该系统安装在风机轮毂内，通过调节风机叶片节距角来改变桨叶迎风受力分布情况，使得风机捕获理想的风功率。然而，叶片统一变桨方法不能对不均匀分布风速达到最佳风功率捕获，而液压变桨系统响应速度慢，为此提出了电动独立变桨系统，即每个桨叶用一个永磁同步电机和减速齿轮箱实现电力电子伺服驱动控制。
　　本文根据自然科学基金项目大型风机异步变桨技术的研究（50907040）研究兆瓦级风机电动独立变桨系统永磁同步电机的设计和控制。针对用于独立变桨伺服系统的转矩和转速运行特性范围宽广，伺服驱动系统电源电压波动范围大的技术特点，对永磁同步电机结构进行了特殊的设计，并采用了简单有效的控制策略。电机设计性能和参数，借助于Ansoft软件进行二维有限元分析计算，获得不同负载工况下电机的磁场分布，保证所设计电机的性能能够符合独立变桨系统的要求。
　　在此基础上采用SVPWM控制方法对永磁同步电机进行了数学建模和仿真分析。根据仿真结果搭建了独立变桨伺服驱动系统：包括DSP软件、IGBT功率驱动模块、独立供电电源和磁粉测功机负载等，验证了所提出独立变桨系统的控制策略，获得了不同负载情况下电机的运行数据，为风电机组电动变桨距系统在实际环境条件下可靠运行提供了依据。

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第一章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 风机电动变桨系统

1.3本章小结

第二章 永磁同步电机的设计

2.1 PMSM简介

2.2 PMSM的发展及研究现状

2.3 永磁同步电动机的稳态性能

2.4 PMSM的额定数据和主要尺寸计算分析

2.5 本章小结

第三章 PMSM二维有限元的建模与仿真

3.1 基于Ansoft的有限元分析

3.2 基于Ansoft软件的有限元建模分析

3.3 本章小结

第四章 PMSM的控制策略

4.1 永磁同步电机的数学模型

4.2 PMSM参数辨识

4.3 永磁同步电机的控制策略

4.4 空间电压矢量脉宽调制

4.5 SVPWM控制的SIMULINK仿真分析

4.6 本章小结

第五章 PMSM电动变桨伺服驱动器的设计

5.1 PMSM电动变桨伺服驱动器整体模块设计

5.2 伺服驱动器的硬件电路设计

5.3 PMSM电动变桨伺服驱动器软件设计

5.4 本章小结

第六章 设计结果及实验波形分析

6.1 变桨系统设计

6.2 负载测试平台设计

6.3 测试实验结果分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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