基于ARM处理器的直驱式风力发电机组主控制器的设计

摘要

中国风能资源丰富，大力发展风力发电对调整能源结构、保障能源安全、应对气候变化、促进经济社会可持续发展具有重要意义。近年来，在《可再生能源法》以及国家一系列政策的推动下，中国风电装机容量迅速增长，风电装备制造业也快速发展，产业体系已逐步形成。2011年并网风电超过了50GW，当年并网14.5GW，均稳居世界第一。
　　经过多年发展和积累，中国风电企业技术研发能力不断提高，但与风电技术先进的国家还有一定的差距，尤其是在风力发电机组的控制技术方面，所以，实现中国在风电机组完全国产化的道路上还有很长的路要走。
　　控制系统作为风力发电机组的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着机组的发电效率、机组运行的安全性与可靠性。本文以变速恒频直驱式永磁同步风力发电机组为基础，系统地研究了风电机组主控系统的功能，重点对风力发电机组的主控制器进行了设计，并基于实验室的物理实验平台做了实际验证。
　　本文首先简单介绍了直驱永磁同步风力发电系统的基本组成及原理，并针对直驱式发电机组控制系统进行了详细地研究，包括控制系统的总体结构、机组的控制过程以及对各个控制功能模块进行了深入地剖析。
　　在详细地研究了被控对象和充分借鉴前人技术成果的基础上，完成了控制器的硬件选型配置，并基于硬件平台，搭建了嵌入式软件开发环境:主控制器基于ARM嵌入式微处理器，软件运行环境基于嵌入式Linux操作系统，在Qt4的框架下编写应用程序，主控制器与其他子系统的通信以及数据采集模块采用基于CAN总线接口的网络拓扑结构。
　　在详细分析发电机组主要控制功能的基础上，重点介绍了主控制器的各个功能模块包括监控系统、变桨系统、偏航系统、变流系统、安全保护系统、数据采集系统等主要部分软件设计，并给出了控制流程图。最后，介绍了直驱式永磁同步风力发电系统物理实验平台的组成，并基于特定的实验平台，将所设计的软件应用于实际，通过反复地调试与完善，实现了最初的设计要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外风力发电现状与趋势

1．2．1 世界风电发展现状及展望

1．2．2 中国风电产业发展现状及展望

1．3 风电机组控制系统发展现状

1．4 论文研究内容及目标

第二章 直驱永磁同步风力发电系统

2．1 变速恒频直驱风力发电技术

2．1．1 直驱永磁同步风力发电系统基本原理

2．1．2 直驱风力发电系统整体结构

2．2 直驱永磁同步风力发电机组的控制系统

2．2．1 控制系统的总体结构

2．2．2 风力发电机组工作状态及其转换

2．3 风电机组控制系统的功能分析

2．3．1 系统的启动

2．3．2 系统运行状态监控

2．3．3 偏航系统

2．3．4 变桨距控制

2．3．5 变速控制(最大功率跟踪)

2．3．6 恒功率控制

2．4 风电机组的安全保护系统

2．5 本章小结

第三章 主控制器硬件配置及软件开发平台的搭建

3．1 主控制器的选型

3．2 主控制器通信系统的设计与开发

3．2．1 CAN总线的特点

3．2．2 CAN总线的物理层与数据链路层

3．2．3 CAN总线应用层协议——iCAN协议

3．2．4 iCAN协议帧报文格式

3．2．5 iCAN通讯帧传输协议

3．2．6 iCAN设备的定义

3．3 嵌入式Linux开发的一般方法

3．4 安装交叉编译器

3．5 编译触摸屏软件tslib1．4．tar．gz

3．6 Qt及Qt／Embedded

3．6．1 编译及安装qt-x11-opensource-src-4．5．3

3．6．2 编译及安装Qt／Embedded

3．7 移植所需要的运行库和字体库

3．8 开发环境测试

3．8．1 NFS服务的配置与启动

3．8．2 触摸屏校准

3．8．3 利用NFS方式在开发板上运行示例程序

3．9 本章小结

第四章 风力发电机组主控制器的软件设计

4．1 主控制器软件总体架构

4．2 机组实时监控界面

4．3 主程序循环模块的设计

4．4 其他主要子功能模块的设计

4．4．1 电动变桨距控制

4．4．2 偏航控制

4．4．3 数据采集系统

4．4．4 安全保护系统

4．5 本章小结

第五章 实验室风力发电机组主控系统的实现

5．1 直驱式永磁同步风力发电系统实验平台的介绍

5．2 主控制器软件的实现

5．2．1 实验平台主控制器的软件开发

5．2．2 基于Qt4的人机界面的设计

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果