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开关磁阻风力发电机控制器设计与实验研究

2020-11-30阅读(364)

开关磁阻风力发电机控制器设计与实验研究

论文摘要

随着经济的快速发展,人类对能源的需求明显增加,而地球上的常规能源是有限的,风能、太阳能的开发利用正日益受到重视。在风力发电机领域,研究最多的是双馈电机和直驱永磁同步电机。开关磁阻电机是电机技术与现代电力电子技术、微机控制技术结合的产物,具有结构简单、成本低、容错能力强、耐高温等优点,又在高度发展的电力电子和微机控制技术支持下获得了良好的控制性能,已经在驱动调速领域得到了广泛的应用,同时也在发电领域受到越来越多的重视。本文主要研究开关磁阻风力发电机控制器的设计。结合开关磁阻电机的基本方程式,在MATLAB/SIMULINK中分别建立了基于线性电感和准线性电感的仿真模型,对开通关断角对电机运行性能的影响进行了初步的仿真分析。总结了开关磁阻电机三种典型的控制方式及其实现方法,提出了一种由单片数字信号控制器实现的数模混合控制电流斩波+角度位置控制方案。磁链高度饱和是开关磁阻电机的一大特征,在PLECS软件中给出了电感非线性的一种建模方法。本文在SIMULINK/PLECS平台上,设计了开关磁阻风力发电机控制器。控制器内环采用电流斩波+角度位置控制方案,目标是实现转矩脉动和效率综合最优;控制器外环是基于转速反馈的功率环,分别采用传统PI控制和模糊自调整PI控制两种方案,目标是通过控制发电机输出功率实现最大风能跟踪。通过仿真验证了设计方案的可行性。对仿真方案进行了基于dsPIC30F2023最小控制系统设计,并设计了完备的过压过流硬件保护电路和人机交互接口。设计了基于仙童单管IGBT的不对称半桥功率电路和相应的电压电流检测接口。硬件电路通过Cadence仿真后,在Altium Designer中绘制了印制电路板。在MPLAB集成开发环境中进行了软件方案的设计。主要包括dsPIC30F2023时钟配置,主程序、电流PWM程序、转子位置估计、转速计算、开通关断角根据电流斩波限在线调整、AD转换、SPI通讯等器件层程序和最大风能跟踪控制算法层程序的设计。软硬件系统设计完成后,本文对所研制实验装置进行了初步调试。实验结果表明所研制实验装置基本能实现功能要求,但仍需进一步优化和改进。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 符号说明
  • 第一章、综述
  • 1.1、研究背景
  • 1.1.1、风能资源与风力发电现状
  • 1.1.2、风力发电技术与常用风力发电机
  • 1.1.3、开关磁阻风力发电机系统
  • 1.2、本文所做工作及其意义
  • 1.3、论文内容安排
  • 第二章、开关磁阻发电机模型及其控制
  • 2.1、开关磁阻发电机系统
  • 2.2、开关磁阻发电机的基本原理
  • 2.3、开关磁阻发电机的基本方程式
  • 2.3.1、电路方程
  • 2.3.2、机械方程
  • 2.3.3、机电联系方程
  • 2.4、开关磁阻发电机的数学模型
  • 2.4.1、电感与角度位置的关系定义
  • 2.4.2、基于线性电感模型的开关磁阻发电机分析与仿真
  • 2.4.3、开关磁阻发电机的准线性模型
  • 2.4.4、Plecs中对开关磁阻电机电感非线性的处理方法
  • 2.5、开关磁阻发电机的控制方式
  • 2.6、开关磁阻发电机控制的实现方法及其比较
  • 第三章、开关磁阻最大风能跟踪控制方案设计与仿真
  • 3.1、风轮机模型与最大风能跟踪算法
  • 3.2、开关磁阻风力发电机控制器设计与仿真
  • 3.2.1、控制器电流内环的设计
  • 3.2.2、控制器功率外环的设计
  • 第四章、基于DSPIC30F2023硬件方案的设计
  • 4.1、功率电路板的设计
  • 4.1.1、主电路的设计
  • 4.1.2、电流检测电路的设计
  • 4.1.3、电压检测电路的设计
  • 4.1.4、上电电容充电限流电路的设计
  • 4.1.5、散热器温度检测与风扇控制电路设计
  • 4.2、控制电路板的设计
  • 4.2.1、控制电路板总体方案
  • 4.2.2、转子位置检测电路设计
  • 4.2.3、电流调理电路设计
  • 4.2.4、过压过流保护电路设计
  • 4.2.5、485通讯口设计
  • 4.2.6、SPI扩展EEPROM设计
  • 4.2.7、人机交互界面设计
  • 4.3、模拟并网负载设计
  • 第五章、软件方案设计
  • 5.1、dsPIC30F2023特性及其配置
  • 5.1.1、dsPIC30F2023简介
  • 5.1.2、DSC内部的时钟配置
  • 5.2、器件级软件设计
  • 5.2.1、电流PWM软件设计
  • 5.2.2、最优开通关断角度的计算
  • 5.2.3、转子位置估计软件设计
  • 5.2.4、转速检测软件设计
  • 5.2.5、模拟量测量软件设计
  • 5.2.6、SPI外接EEPROM软件设计
  • 5.2.7、人机界面通讯软件设计
  • 5.3、算法级软件设计
  • 5.3.1、直流母线电压电流量化
  • 5.3.2、模拟PI调节器的数字化
  • 5.4、主程序设计
  • 第六章、实验结果与分析
  • 6.1、实验系统
  • 6.2、实验测试结果与分析
  • 第七章、结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 学位论文评阅及答辩情况表

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