变速恒频双馈发电机励磁控制器实验研究

论文摘要

风力发电作为最具规模商业开发价值的可再生能源利用技术之一,不仅可以有效减少环境污染而且可以改善能源结构﹑提高能源安全水平。风力发电已经成为世界许多国家可持续发展能源战略的重要组成部分。交流励磁双馈风力发电是一种新型的﹑先进的发电技术,发电机定子直接与电网连接,通过调节转子励磁电压的幅值﹑频率﹑相位,可以实现发电机变速恒频运行,而且能够独立调节发电机输出的有功功率和无功功率,实现最大风能捕获。由于变换器在转子回路,仅处理双向流动的转差功率,因此该系统变换器成本低,体积小,重量轻。本文围绕变速恒频交流励磁双馈发电系统转子励磁控制器展开研究,采用绕线异步电机作为双馈发电机﹑电压型双PWM变换器作为发电机转子励磁电源﹑他励直流电动机模拟风力机,构建了风力发电实验系统。首先对风力发电产业和风力发电技术的国内外发展状况进行了概述,指出加快发展我国风电产业,提高风电技术已刻不容缓,简单介绍了变速恒频风力发电技术的优点及其几种实现形式,双馈感应发电机变速恒频运行的基本原理。其次分析了双馈感应发电机的动态数学模型及在不同坐标系下的变换模型。重点分析了基于定子磁场定向矢量控制策略实现功率解耦控制的原理,并且在此基础上设计了功率电流双闭环PI调节器。详细说明了电压空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的控制原理并且介绍了其在DSP上的硬件实现方法,为功率解耦的实现打下基础。文中对实验系统各部分硬件电路的功能进行了说明,同时给出了硬件电路原理图。在软件设计方面,设计了主程序和定时器中断子程序及各模块子程序,并对各部分算法进行了详细说明。设计了过零点检测电路,详细介绍了初始相位的检测方法,并设计了检测程序,通过实验测得转子初始相位。根据转子电流检测中谐波量大,干扰严重等问题,制定了使用有限长单位冲激响应(FIR)滤波器进行软件滤波的方案,介绍了采用窗函数设计FIR滤波器的方法,借助Matlab仿真软件对FIR滤波器参数进行了设计并编制了FIR滤波器程序。为了实现双DSP之间的通讯,编制了基于多通道缓冲串行口(McBSP)的通讯程序,并在单DSP上进行了程序的调试。最后在系统硬件平台上调试软件,反复整定PI参数,记录了实验结果。文中分析了实验结果,验证了本文的理论研究是正确的﹑可行的,实现了变速恒频双馈发电机功率解耦双闭环控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电的国内外发展状况
• 1.1.1 发展风电的必要性
• 1.1.2 世界风电发展状况
• 1.1.3 中国风电发展状况
• 1.2 风力发电技术
• 1.3 变速恒频发电技术
• 1.3.1 恒速恒频风力发电技术
• 1.3.2 变速恒频风力发电技术
• 1.4 交流励磁双馈变速恒频发电系统及其原理
• 1.4.1 交流励磁双馈变速恒频发电系统的优势
• 1.4.2 交流励磁双馈变速恒频发电系统的基本原理
• 1.5 本文选题背景及主要研究内容
• 第二章 双馈发电机功率解耦控制
• 2.1 引言
• 2.2 双馈发电机在三相坐标系下的数学模型
• 2.3 坐标变换与变换矩阵
• 2.4 双馈发电机在两相同步坐标系下的数学模型
• 2.5 基于定子磁场定向矢量控制策略的双馈发电机功率解耦控制
• 2.6 功率电流双闭环控制系统设计
• 2.6.1 电流内环调节器的设计
• 2.6.2 功率外环调节器的设计
• 小结
• 第三章 SVPWM 控制技术原理及实现
• 3.1 空间矢量的定义
• 3.2 电压与磁链空间矢量的关系
• 3.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场
• 3.4 电压空间矢量的线性组合与SVPWM 控制技术的算法实现
• 3.5 SVPWM 技术在TMS320F2812 上的实现
• 3.5.1 硬件方式实现SVPWM 的原理
• 3.5.2 基于TMS320F2812 的SVPWM 硬件方式实现方法
• 3.5.3 软件流程框图
• 小结
• 第四章 双馈发电机功率解耦实验系统
• 4.1 实验系统硬件结构
• 4.1.1 交流励磁系统主回路
• 4.1.2 控制电路
• 4.1.3 IPM 驱动电路
• 4.1.4 检测与调理电路
• 4.1.5 RS-232 串口电路
• 4.2 功率解耦控制系统的软件编程
• 4.2.1 转子侧变换器软件结构框图
• 4.2.2 转速及滑差电角频率的计算
• m及其相对于定子磁链的电角度θ_sr 的计算'>4.2.3 转子位置机械角度θ_m及其相对于定子磁链的电角度θ_sr的计算
• 4.2.4 交流电量的计算
• 4.3 PI 调节器的数字实现
• 4.4 数字滤波器的设计
• 4.4.1 FIR 滤波器窗函数设计法
• 4.4.2 FIR 滤波器参数设计
• 4.4.3 FIR 滤波器在DSP 上的算法实现
• 4.5 McBSP 通讯程序设计
• 小结
• 第五章 系统调试与实验分析
• 5.1 初始定位实验
• 5.2 SVPWM 实验
• 5.3 FIR 数字滤波器实验
• 5.4 变速恒频实验
• 5.5 功率解耦控制实验
• 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 参与的科研项目