中小型永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真

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1、. . . . 摘要 由于以石油、煤等的能源紧缺，同时这些传统能源对环境造成了越来越严重的污染，已经关系到人类的生存和发展问题，因而以风力发电为代表的新能源越来越受到人们的重视并且近年来有了较快的发展。永磁直驱风力发电系统与传统的以异步电机的发电系统相比，不需经常维护，结构简单，发电效率较高，总体成本相对较低，这些优点使得可独立运行的中小型永磁直驱风力发电系统在农村和偏远地区有着很好应用前景。 本文主要工作如下： 本文主要研究中小型永磁直驱风力发电控制系统，在理论上，根据中小型永磁直驱风力发电系统的数学模型，完成了基于Matlab/Simulink的仿真，该仿真包括变桨距控制系统的仿真和交直交

2、变流系统的负载突变的仿真两部分。 由于永磁直驱风力发电系统所发出的电能为电压和频率的交流电，为得到恒压恒频的电能，本文进行了逆变控制系统的软硬件设计。控制器采用PIC单片机并结合PWM芯片SA4828，用IPM作为逆变输出，并采用LC滤波器将IPM输出波形滤成正弦波，电压反馈采用真有效值转换芯片AD736完成电压样任务。调节方式采用了增量式PID控制，同时为避免干扰采用了防脉冲干扰平均值滤波。 变桨距与偏航控制系统为风力发电系统可靠运行的关键，本文进行了变桨距与偏航控制系统的软硬件设计。该控制器采用PIC单片机为核心，通过检测风速、转速、蓄电池电压、电流等量完成变桨距与偏航控制，同时为增强控制

3、器的抗干扰性能，对输入与输出进行了光电隔离。文中详细介绍了系统仿真和关键词：风力发电，永磁直驱，变桨距，逆变各系统的软硬件设计，并给出了仿真和试验的结果。63 / 71The Control System Simulation and Design of Low Speed PM Generator Direct Drivenby Wind TurbineAbstractThe energy such as petroleum and coal is in short supply, and simultaneously, the traditional energy caused more

4、and more serious pollution to the environment, this has already concerned human survival and development problem.Windpower generation as a new energy is increasingly attraction interest and quickly development in recent years. The system of low speed PM generator direct drivenby wind turbine which c

5、ompares with the conventional wind power plants the generator is coupled with the turbine via a gearbox, does not have to maintain frequently, structure simple, electricity generation efficiency high, the overall cost relative is low.In the countryside and the remote districts the wind power generat

6、ion is good application prospect.The main work of the thesis is as follow.This paper mainly studies the system of low speed PM generator direct drivenby wind turbine. In theoretically, according to the wind power generation system mathematical model, the dynamic performance of the power generation s

7、ystem for different operation modes is simulated based on Matlab/Simulink.The output of the system of PM generator direct drivenby wind turbine is variable voltage and variable frequency power. To get constant voltage and constant frequency energy that users need, the software and hardware of the in

8、verter control system is designed. The inverter controller is adopted PIC single-chip-computer and PWM chip SA4828, and IPM as inverter, LC wave filter.The voltage feedback is gotthrough the chip AD736 which accomplishes the task of sampling the voltage.To realize the reliable operation the wind pow

9、er generation system, the software and hardware of the pitch and yaw control system designed. The controller uses PIC single-chip computer as central controller, which operates the system through measuring the wind speed, rotational speed, battery voltage and the charging current, etc.At the same ti

10、me in order to strengthen the anti-interference performance of the controller, the input and outputare isolated by the photo-electricity.The paper introduces the system simulation and software and hardware design in detail, and produces the simulation and the test result.Key Words：wind power generat

11、ion, permanent magnet direct drive, pitch control, inverter学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大

12、学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日独创声明本人重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名:二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、

13、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部容，允许他人依法合理使用。（论文在解密后遵守此规定）作者签名:二一年九月二十日目录摘要1Abstract11绪论51.1课题背景51.2风力发电的研究现状31.2.1恒速恒频恒与变速恒频风力发电系统31.2.2功率调节61.3永磁直驱风力发电趋势81.4课题的来源和研究容82中小功率永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真92.1风力发电控制系统

14、的结构原理102.2风力机的功率特性102.3永磁同步发电机的模型122.4控制策略122.5风力发电系统模型的建立132.6仿真结果162.6本章小结193逆变控制系统的硬件系统设计203.1逆变控制系统的结构203.2 SA4828简介213.2.1 SA4828的功能特点213.2.2 SA4828芯片的工作原理223.2.3 SA4828初始化寄存器的参数设定233.2.4控制寄存器的参数设定243.2.5参数计算253.3 IPM驱动电路的设计263.4电压采样电路的设计273.5 A/D转换303.6 滤波器设计303.7本章小结314逆变控制系统软件设计324.1 SPWM控制技

15、术324.1.1 PWM调制法基本原理324.1.2 SPWM调制方法334.2数字PID控制算法344.2.1位置式PID控制算法354.2.2增量式PID控制算法364.3防脉冲干扰平均值滤波384.4主程序的设计384.5 A/D转换与滤波中断子程序的设计394.6实验结果404.7小结415变桨距与偏航控制系统的软硬件设计425.1风速和转速的测量425.1.1频率量的测量425.1.2风速的检测435.1.3风速仪信号的模拟455.1.4转速的测量455.2逻辑量的检测465.2.1充电电流的检测电路的设计475.2.2蓄电池的电压检测495.2.3桨距角与偏航极限位置的检测设计50

16、5.3控制系统的输出控制设计505.4显示电路的设计515.5主程序的设计525.6控制系统的抗干扰措施545.6.1硬件抗干扰措施545.6.2软件抗干扰措施565.7本章小结566结论57参考文献58在学研究成果62致631绪论1.1课题背景现代社会的存在和发展离不开能源，而人类的发展对环境的破坏情况又非常严峻，所以能源和环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。据专家们估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有2%转换成风能，装机容量可达

17、10TW，每年可13PWh1，风能作为一种丰富清洁的绿色能源，是近期最有大规模开发利用前景的可再生能源2。风力发电作为可再生能源相对传统能源的优越性可归纳为三点3：（1）建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多。（2）不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗。（3）风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。如今，世界各国都在开发和利用风能。美国、丹麦、荷兰和德国等国家对风力发电的研究和应用投入了相当大的人力和资金，是目前世界上风力发电方面处于领先地位的几个国家。这些国家对风力发电的

18、研究与应用投入相当大的人力与资金，制定了开发规划，和优惠的税收政策，他们充分利用空气动力学、新材料、计算机、电机与自动控制等领域的新技术研制和开发现代风力发电机与其运行技术。经过十多年的发展，风力发电技术逐渐趋于成熟，逐渐建立了评估风力资源的计算机模拟系统，发展了失速控制风轮与叶片设计理论，提出和采用了新型叶片材料与翼形，研制成功变桨距控制风机，开发了微机控制的风力发电机单机和机群自动控制的技术等等，这大大提高了风力发电机的效率与可靠性。欧美等工业发达国家建立的风电场已使发电成本已低于核电，接近燃油发电水平，风电己具有与传统常规能源发电竞争的潜力。由于风力发电与其他燃料能源发电有着不可比拟的优

19、点在一些发达国家中的规划到2010年利用风力发电量将要占发电总量的510%3。我国也是风能资源比较丰富的国家，全国可开发利用的风能资源总量约2.5GkW。东南沿海、北部、等地区均属于风能资源地区，平均速风速为6m/s，有效风能密度多200W/m2，有很好的开发利用条件2。近年来，我国环境污染越来越严重，而国民经济的快速发展又对能源有着巨大的需求，煤和石油的巨大消耗，导致酸雨等自然灾害越来越严重，而石油价格的居高不下又使我国在能源需求上付出了沉重代价。国家提出建设和谐的社会，以与人们对环境的重视，使我国不断寻求新能源，而风能作为潜力巨大的清洁能源也得到了国家的重视，近年来，我国出台了相应的利用风

20、能等的政策，并加大了开发风能的力度。我国在风力发电的总体技术上与风力发电强国仍有一定的差距，但近年来我国在风力发电的容量与技术方面也有了可喜的进步，例如，工业大学承担的863MW级的风力发电机组的建立便是我国在大型风力发电机组的重大突破。1.2风力发电的研究现状风力发电的不断发展过程中，在控制方式中出现了恒速恒频与变速恒频发电系统，在功率调节发展过程中，出现了定桨距和变桨距等调节方式。1.2.1恒速恒频恒与变速恒频风力发电系统在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到

21、恒频的电能。在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频46。风力机发电一般可以分为两种控制方式，一种是恒速恒频风力发电系统，另一种是变速恒频风力发电系统。恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应发电机，由于同步发电机输出电能的频率满足的关系，要使频率保持不变，则应使发电机的转速保持不变。因此需要改变风力机对风能的利用率（即风能利用系数偏离最佳值）来使发电机转速保持不变。所以恒速恒频风力发电系统不能实现风力机的最大风能利用；变速恒频风力发电系统则不必保持风力机转速恒定，而通过其它控制方式来得到恒定频率的电能，因此，它能够实现风力机运行在的点上

22、（即风能利用系数保持最佳值），实现最大风能利用5。所以变速恒频风力发电技术与恒速恒频发电技术相比具有显著的优越性，首先大大提高了风能转换效率，显著降低了由风施加到风力机上的机械应力；其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值频率和相位可调的控制，实现了变速下的恒频运行通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统调节的灵活性和动静态稳定性6。随着功率电子的发展和功率元件价格的降低，变转速风力机加快了发展的步伐。可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于不同

23、场合。为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。变速恒频系统介绍如下：（1）采用异步发电机变频器变速恒频系统该系统的结构图如图1.1所示。由于风速的不断变化，带动风轮机以与发机的转速也随之变化，所以发电机发出电的频率也是变化的。通过定子绕组与电网之间的变频器把频率变化的电能转换为与电网频率一样的恒频电能，然后送入电网。这种方案尽管实现了变速恒频，具有了变速运行的优点，但是由于变频器在定子侧，变频器的容量显著增加，尤其是对大容量风力发电系统。另外采用异步发电机的另一个缺点是需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，导致电网功率因数变坏，因此要附加额外的无功补偿装置，图1.1异步发电机变速恒频风力发电系

24、统全额定值变频器电网异步发电机风力机同时电压和功率因数控制也比较困难7、8。（2）永磁发电机变速恒频风力发电系统所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量一样。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接藕合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。尽管由于直接藕合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，使整个系统的成本还是降低了9。（3）无刷双馈发电机变速恒频风

25、力发电系统采用的发电机为无刷双馈发电机。该系统如图1.2所示，定子有两套极对数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和10。无刷双馈发电机的转子与风轮机直接连接。风轮机的转速可随风速而变化。发电机转子绕组与励磁机转子绕组直接相连，变频器向励磁机定子绕组提供频率为关的励磁电流。在发电机转速变化的情况下，可通过改变励磁电流的频率关，使发电机的输出电频率保持不变8-9。部分全额定值双向变频器无刷双馈发电机风力机电网功率绕组控制绕组图1.2无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统（4）

26、双绕组双速异步发电机系统 这种电机有两个定子绕组，嵌在一样的定子铁芯槽，在某一个时间仅有一个绕组工作，转子仍然是通常的笼型或绕线型。电机的两种转速决定于两个绕组的极对数，比起单速机来，优点是比单一转速有较高的年发电量，缺点是它属于不连续变速恒频系统，不能获得变速运行所有的好处。这种发电机总有一个绕组未被利用，价格也高，而且两个绕组的何时切换是系统控制的难点。所以现在的风力发电系统采用的较少9、10。（5）采用电磁转差离合器的同步发电机变速恒频系统 采用速度负反馈通过电磁转筹离合器可使同步电机的转速保持不变，因而发电机可输出恒压恒频的交流电。该系统的优点是控制线路简单，发电输出电压波形好。缺点是

27、效率低，相当一部分风能消耗在转差离合器磁极的发热上10。1.2.2功率调节 在风力机中转动的浆叶很大且很重对系统产生重要影响的转动惯量，尤其相对与发电机而言。这个惯量起的作用就像电路中的电流，当风力机加速是存储能量，减速时释放能量。它也能阻止风力机转轴转速快速变化，这一点就像一个低通滤波器。风力机的转动惯量远远大于发电机的转动惯量11、12。在过去的20 多年当中风力发电机组由最初的定桨距型发展到变桨距型从转速固定的变桨距型发展到目前技术最为先进的变速变桨距型发电效率在显著提高特别是变速变桨距机组其发电机中采用的变速恒频技术提高了风力发电机组在低风速情况下的出力水平我国关于风电机组的研究主要是

28、针对中小型固定转速的变桨距型1而兆瓦级的大型变速变桨距型的风电机组的研究还仅处于起步阶段13。目前世界各地风电场运行的联网风电机组功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节与变速恒频四种13。（1）定桨距失速调节 定桨距机组的主要结构特点是叶片与轮毅的连接是刚性的，即当风速变化时，叶片的迎风角度不能随之变化。所谓失速调节就是利用叶片的翼型气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，当风速大于风力机额定风速时，气流在叶片表面产生涡流，导致叶片的升阻比下降，风能利用效率降低，从而使机组的输出功率大致保持不变，因而其功率调节不需任何控制算法。定桨距机组提出了两个必须解决的问题：一是当风速超

29、过机组的额定风速时，叶片必须能够自动将机输出功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的机械强度和物理性能是有限度的；二是运行中的风电机组在突然切出电网的情况下，叶片本身必须具备制动能力，使风电机组在各种紧急情况下能够安全停机，因为对于惯性很大的大型风电机组，如果仅仅依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置来进行制动，就会对整机结构强度产生严重影响。失速性能良好的玻璃钢复合材料制成的风力机叶片以与叶尖扰流器成功应用于风力机上解决了上述两个问题。失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位。即使在近几年商品化的

30、兆瓦级风电机组中，失速型机组仍占有相当的市场份额14。（2）变桨距调节由于叶片失速是一个复杂的气动过程，对于不稳定的风况，很难精确计算出失速效果，所以兆瓦级风电机组大多采用变桨距调节方式。变桨距机组的最大特点是通过叶片和轮毅之间的齿轮传动机构或曲柄连杆机构来使叶片的攻角随风速改变而改变，即使机组在不同风况下保持最佳攻角，从而使机组在低风速下跟踪最佳叶尖速比，在高风速下通过发电机功率反馈调节叶片迎风角，使输出功率保持在额定功率附近15。变桨距机组具有风能利用系数高、启动制动性能好、叶片结构简单等优点，同时变桨机构可使叶片和整机的受力状况大为改善，这有利于大型风电机组的设计。从今后发展趋势看，大型

31、风电机组将会逐渐采用变桨距技术。（3）主动失速调节这种功率调节方式是前述两种方法优点的结合，目前NEG MICON、BONUS公司在大于600kW机组上采用此技术。主动失速型风力机叶片通过轴承固定在轮毅上，但叶片可围绕其纵向轴线旋转以此调整节距角。低风速时可以调整叶片节距角以跟踪最大曲线；高风速时叶片节距角随风速变化只需微调即可维持叶片的失速状态，从而使机组的输出功率维持在额定功率附近。同时，控制系统可以调节叶片节距角以适应空气密度的变化与减少因叶片表面污染造成的影响。而且，该型机组叶片变桨启动，顺桨停机，大大减少了机械刹车对机组传动系统的冲击。该种调节方法的优点是无需灵敏的调节速度，风能利用

32、效率高，输出功率易于控制15。（4）变速恒频从本质上讲，定桨距和变桨距机组都属于恒速恒频机组。变速恒频技术是近几年发展成熟的技术，而且已经在兆瓦级风电机组市场上占有较大的份额，目前以德国DEWIND公司和ENERCON公司生产的变速机组为代表。该型机组在额定风速以下通过循环变流器来调节双馈异步发电机的电磁转矩，使发电机转速随风速变化，实现发电机转速的部闭环控制，来保持最佳叶尖速比，达到跟踪，获取最大能量的目的；高于额定风速时，通过叶片节距角的外部闭环控制来限制风力机获取过大的能量，达到跟踪并保持输出功率稳定的目的16、17。因为其具有风能利用系数高、运行风速围大、叶片结构简单、可以精确控制功率

33、因数、传动系统柔性好、阵风的能量可以通过叶轮加速得以储存、启动制动性能好以与低风速时机组运行噪音低等优点而会在不久的以后取代恒速机组成为新建风电场的主装机型，是以后风力发电技术的发展趋势，也应成为我国技术引进的首选机型。但结构复杂、技术难度大、造价高是变速机组的主要缺点18、19。1.3永磁直驱风力发电趋势传统的风力发电机组中，大多采用异步发电机，但是采用异步发电机需要增加增速机，这就导致了机械损耗，需要定期维护。永磁电机与电励磁的电机相比通常有更高的效率和更紧凑。直驱式风力发电机由于不需要齿轮箱，因而能够改善风能转换的效率。其优点有：去掉了齿轮箱；减小维护（不需要定期维护）；气室设计简化20

34、。典型的直驱式发电机全速时产生1030Hz电流，因此直驱式发电机需要频率变换装置向电网输入频率为50Hz的电源21。目前，中国国大型风力发电机企业已成功研制出了大型风力发电机样机，并制造完成了包括齿轮箱、轮毂、主轴、延长段等零部件，为风机国产化奠定了基础；但由于风电优惠政策力度不够，投资环境不佳，业主缺少融资渠道，国产风机难以进入市场，严重制约了国产化风机的产业化进程22。1.4课题的来源和研究容（1）本课题的来源本课题来源于工业大学电气控制技术研究所和工业大学风能所的“20kW永磁直驱风力发电系统”的子项目。（2）本课题研究的具体容包括如下几个方面：1）针对中小功率永磁直驱风力发电系统，进行

35、基于Matlab/Simulink的变桨距控制系统的仿真模型的建立与仿真研究。2）针对永磁直驱风力发电机所发出的电压频率变化的电能，进行交直交变流控制。该系统用二极管桥式整流，采用PIC单片机结合PWM芯片SA4828作为控制器，以IPM作为逆变桥，此部分重点完成逆变控制。3）完成永磁直驱风力发电系统完成变桨距与偏航控制系统的软硬件设计。2中小功率永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真风力发电系统是非常复杂的，它涵盖了空气动力学、电力电子技术、计算机控制技术和现代控制理论等多种学科的容。经过几十年的发展，风力发电系统的理论日趋成熟，为提高系统的可靠性、提高风力发电系统的发电效率和降低发电成本，风

36、力发电机组有向大型化发展的趋势，而永磁直驱风力发电系统由于可提高发电效率，减少系统维护成本等优点也成为风力发电的方向之一2325。2.1风力发电控制系统的结构原理永磁直驱风力发电系统结构如图2.1所示，包括如下几个基本组成部分：风力机、永磁同步发电机、交流/直流变换器、蓄电池、直流/交流逆变器、控制系统、检测装置等几部分。风力机将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机，而永磁发电机的转速随着风速的变化而变化，因而发出的电能是电压和频率都变化的电能，为得到恒压恒频的电能就必须进行交直交变流，再通过滤波器滤波将逆变器输出变换成正弦波输出，蓄电池的作用是当风速低于额定风速时放电，高于额定风速时充电，

37、使输出功率保持恒定。控制系统 输出电压偏航控制变桨距控制风速永磁发电机交流/直流变换器直流/交流逆变器滤波器图2.1风力发电控制系统结构图2.2风力机的功率特性 风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件26，它用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积的一部分空气的动能转换为有用的机械能，所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出，而且直接影响机组的安全稳定运行2729。由风力机的空气动力学特性知，风力机的输入功率为6： （2.1）式中： 空气密度，； S风力机叶片迎风扫掠面积；空气进入风力机扫掠面以前的风速(即未扰动风速)。由于通过风轮旋转面的风能不是全部都能被风轮吸

38、收利用，因此可以定义一个风能利用系数： （2.2）所以风力机的机械输出功率为： （2.3）式中：R叶片的半径。 根据贝茨理论，的最大值为0.593。一般的水平轴风力机，=0.20.5，同时考虑到在风场中风力机会受到风速与风向波动的影响，高速风轮实际的大致在0.4左右，很难超过0.530。风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，是一个与风速、叶片转速、叶片直径均有关系的量。为在不考虑叶片转速和直径的条件下对叶片性能作更普遍的讨论，还可定义出风力机的另一个重要参数叶尖速比入，即叶片的叶尖线速度与风速之比31： （2.4）式中：叶片旋转的角速度；叶片的转速。风力机的风能利用系数，即风轮将风能转变为机

39、械能的效率与叶尖速比密切相关。风能利用系数只有在叶尖速比为某一定值时才达最大。2.3永磁同步发电机的模型永磁同步发电机具有结构简单、工作可靠、维护方便、效率高等优点，采用新型高性能稀土永磁材料装置的电路拓扑时，还可以使电机的体积和重量大为减小。永磁同步发电机作为风力发电机，它使系统结构变得更加简单，省去了增速箱等机械部件，提高了系统的可靠性，使系统的维护大大减少，减少了维护成本。永磁同步发电机的电压和电磁转矩在d-q轴旋转坐标系系下的数学关系为9：（2.5） （2.6） （2.7）式中：,d轴、q轴电枢电感；一相绕组的电枢电阻；,d轴、q轴电枢电流；, d轴、q轴电压；转子旋转的角速度； 永磁

40、电机q轴绕组产生的漏磁链；电机的极对数；pp=d/dt为微分算子符号。2.4控制策略风力机发电一般可以分为两种控制方式，一种是恒速恒频风力发电系统，另一种是变速恒频风力发电系统。恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应发电机由于同步发电机输出电能的频率满足的关系，要使频率保持不变，则应使发电机的转速保持不变。因此需要改变风力机对风能的利用率来使发电机转速保持不变。所以恒速恒频风力发电系统不能实现风力机的最大风能利用；变速恒频风力发电系统则不必保持风力机转速恒定，而通过其它控制方式来得到恒定频率的电能，因此它能够实现风力机运行在的点上（即风能利用系数保持最佳值），实现最大风能利用32、33

41、。变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化桨距角定浆距运行，由发电机控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式。永磁直驱风力发电系统常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构，这些组成部分来实现变速恒频。基本控制策略：低于额定风速时，跟踪曲线，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪曲线并保

42、持输出稳定。为达到变速控制的要求，变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。仿真中，采用PID控制算法，针对仿真中采用的叶尖速比、桨距角和风能利用系数关系函数，采用查表计算出相应的，进而对系统进行调节。2.5风力发电系统模型的建立在仿真中风速给定使通过以时间为输入的一维查表环节来产生，如图2.2所示。图2.2 风速模块风力机模型如图2.3所示，风速值输入到模块中，通过功率模块计算出风轮机的捕获功率，捕获的功率除以风力机的转速，得到风力机的输出转矩，该转矩即可作为永磁发电机的输入转矩。图2.3 风力机模块节距角既可以通过功率反馈也可以通过转速反馈来确定，这里是通过转速反馈来

43、确定的。该模块如图2.4所示。图2.4节距角调节模块在仿真中，功率系数是通过调节叶尖速比和节距角来进行查表后得到的，如图2.5所示。本仿真采用的叶尖速比、桨距角和风能利用系数关系如图2.6所示，通过此关系可得到功率系数，该表用二维查表得到，并采用插值以得到更准确的数值。在变桨距控制系统的仿真中所用的永磁电机模型采用Matlab/Simulink库中Simpower子库中的Permanent Magnet Synchronous Machine 模块，当输入转矩为正时，此模块为永磁电动机；输入转矩为负时，此模块为永磁发电机。由于系统需要永磁发电机，所以风轮机的输出为负。图2.5风能利用系数模块图

44、 2.6 叶尖速比、桨距角和风能利用系数关系 变桨距控制系统的仿真结构图如图2.7所示，该系统包括风力机模型，风速模型，永磁发电机模型，以与将永磁发电机所发出的电压和频率变化的电能转化为恒压恒频的电能的交直交变流系统，逆变系统通过PI调节使输出电压恒定。为使逆变器输出的高频脉冲信号转化为正弦波，采用了LC滤波器。图 2.7 变桨距控制系统仿真结构图2.6仿真结果（1）变桨距系统仿真在仿真中采用PID控制方法，通过调节桨距角与叶尖速比来进行变桨距的控制。仿真参数：额定输出功率为20kW，额定转速为110r/min，额定输出电压为400V，永磁直驱的极对数为40。图2.8风速给定，图2.9为风能利

45、用系数，图2.10为永磁电机的输入转矩，图2.11为永磁发电机的输出功率。图2.8风速给定speed图2.9风能利用系数Cp图2.10 永磁电机的输入转矩图2.11永磁发电机的输出功率generator从仿真结果可以看出，在风速低于额定风速时，风能利用系数保持最佳，以使风轮机捕获最大的风能。在额定风速以上时进行桨距角的调节，使风力发电机输出功率恒定。这就验证的控制策略的可行性。（2）负载突变的仿真当负载在0.1s时从5kW变化到9kW时，逆变输出电压的变化如图2.12到图2.16所示。图2.12 负载突变图2.13 直流母线电压图2.14 逆变器输出电压图2.15 PWM调制比 图2.16 负

46、载电压 逆变器的输出电压随着负载的突然变化，通过调节调制比，使输出电压达到恒压恒频的调节。通过负载突变的仿真结果可知，达到了输出电压恒定的目的。2.6本章小结本章着重阐述了风力发电机组控制系统的相关理论，如风力机的空气动力学特性等，根据永磁直驱风力发电系统的理论，对变桨距控制系统和交直交变流系统的负载突变进行了仿真，并给出了仿真结果，从仿真结果可知，达到了仿真的目的，验证了控制策略的可行性。3逆变控制系统的硬件系统设计永磁直驱风力发电系统发出的电为频率和幅值都随着风速的变化而变化，为给用户提供稳定的电源，就必须进行交直交变换，使发出的电能转换为恒压恒频的用户可用的电能3436。3.1逆变控制系

47、统的结构 逆变控制器由微处理器和SPWM发生器组成。采用PIC16F877A单片机作为主控制器，SPWM波的产生选择了专用集成芯片SA4828，输出采样选用真有效值转换芯片AD736。芯片的选择使软件非常简捷，微处理器只用很少的时间去控制它。硬件电路也大大简化，灵活性强、智能性强，同时生成的SPWM波形精度高，速度加快，相应电源的可靠性大为提高。交流输入整流电路滤波电路逆变电路输出滤波负载光耦隔离PWM专用芯片SA4828IPM保护信号PIC单片机输出显示检测图3.1系统结构原理图从图3.1可以看出该系统包括如下几部分：（1）单片机。实验中采用PIC16F877A型单片机作为主控制器，其对反馈

48、回的电压模拟信号转换成数字信号，通过对采样信号的数字滤波后，在经过PID调节后确定PWM产生器SA4828的幅值控制寄存器的值，进而调节逆变电路的输出，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。（2）整流电路。将发电机发出的三相交流电转变成直流电，采用二极管三相不可控整流桥。（3）滤波电路。采用IPM全桥逆变电路的输出为一系列高频脉冲，要想得到标准的正弦波，必须滤掉其高频成分，LC滤波电路的作用正是滤除高频，其参数由LC滤波器的谐振颇率和特征阻抗决定。（4）逆变电路。选用智能功率模块IPM作为逆变器件，它将功率开关器件IGBT和驱动电路集成在一起，使用时只需提供驱动电源和控制信号即可。电路简捷，

49、且驱动可靠。另外IPM还具有过电压，过电流，过热等故障检测电路，将检测信号送给CPU就可实现故障保护。（5）专用PWM产生器SA4828和隔离电路。根据单片机提供的输出PWM控制波形的信息，产生供给IPM的驱动信号。由于系统强电部分和弱点部分要实现电气上的隔离，所以中间需要加上光耦隔离。（6）检测电路主要是通过真有效值转换芯片AD736检测输出的电压值并传回单片机。3.2 SA4828简介3.2.1SA4828的功能特点SA4828专用大规模集成电路芯片部包含波形、频率、幅值等控制信息，控制实行全数字化，重复性好，无温漂，无时漂。其主要功能特点有以下几方面37： （1）全数字化。SA4828与

50、微处理器的连接适用两种总线接日，编程简捷方便，全数字化的脉冲输出有很高的精度和温度稳定性。 （2）三种SPWM调制波形输出：SA4828能输出标准正弦波型，增强型波形和高效型波形。标准正弦波型即一般交流电机和静态逆变器通常采用的波形；增强型波形又称三次谐波，可输出功率提高20%，三相谐波互相抵消，防止了电机发热；高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，在一个周期中，高压侧和低压侧的开关保持60度的间隙，不但节省了33%的开关损耗，而且可使用更少，更便宜的功率器件或减少散热片的体积，提高了功率开关器件的可靠性。 （3）工作方式灵活：SA4828具有六个标准的TTL电平输出，可以

51、用来驱动逆变器的六个功率开关器件。直接通过软件设置载波频率，电源频率，波形选择，最小脉宽，死区时间，初始电压等参数，调节容易。在电路不变的情况卜，通过修改参数就可以改变逆变器的性能指标，驱动不同的负载，或工作于不同的工况，大大节约了硬件成本。3.2.2SA4828芯片的工作原理SA4828是具有28脚的三相脉宽调制波发生器芯片,采用全数字化方式，将基准正弦波与一个载波三角波相比较，在三角波的顶点和底点对正弦波进行采样来获得PWM波。SA4828芯片不需增加外围电路，只通过数据总线就可直接与任意微处理器进行通讯。其引脚MUX是用来区分数据总线结构的。若是复用总线结构，则将MUX引脚接高电平或悬空

52、；若是独立地址数据总线结构，则需将MUX引脚接低电平。芯片由寄存器选择引脚RS来区分是地址（RS=0）还是数据（RS=1）。当SETTRIP输入高电平时，立即封锁PWM输出,且使输出关断状态信号TRIP为低电平。若不使用SETTRIP引脚，则应将其接地，以防干扰。 SA4828芯片与其功能SA4828芯片是可编程的。通过6个临时寄存器R0R5、2个虚拟寄存器R14、R15，对48位的初始化寄存器和控制寄存器进行编程，获得PWM波。 对SA4828的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）来实现的，初始化寄存器用于设定输出电源频率围，输出PWM波形的死区时间，

53、最小取消脉冲时间等一些基本参数，并且在工作时是不允许改变。控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制逆变器的运行状态，通常在工作时该寄存器容常被改写以实现实时控制38、39。PIC单片机与SA4828的连接如图3.2所示：图 3.2 PIC单片机和SA4828连接图SA4828PIC16F877AVSSVDDMUXRSRB0RE1RE0RD0-7AD0-7ALE3.2.3SA4828初始化寄存器的参数设定SA4828初始化寄存器如表3.1 所示表3.1 SA4828初始化寄存器参数空间分配表76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PD

54、T5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0（1）载波频率（CFS）载波频率定义了脉宽调制波中三角波的频率。载波频率的选择大多取决于逆变器所使用的半导体功率器件。载波频率由下式给出： （3.1）式中：为输入的时钟频率。（2）电源频率围（FRS）通过这个参数可以选择输出电源频率的围，因此可以提高SA4828芯片的频率分辨率。电源频率围确定了最大的电源频率。电源频率围由下式给出：（3.2）（3）脉宽延时时间（

55、死区时间）（PDY）对于每一相PWM输出均有两路控制信号，分别控制逆变桥的高端和低端的功率开关。考虑到功率器件工作频率限制和开启、关断次数的不平衡，为了避免电流通过上下功率开关管形成短路，所以在改变功率开关管的状态时提供一段延时时间，此时上下开关管均处于关断状态。脉宽延时时间由下式给出：（3.3）（4）脉冲取消时间（PDT）一个纯PWM序列可以包括占空比从0%到100%的脉冲。然而过短的脉冲只会增加逆变器开关管自身的开关损耗。因此需定义一个最小的脉冲宽度。在PWM序列中，所有脉冲宽度比取消时间小的脉冲被去除。脉冲取消时间由下式给出： （3.4）（5）波形的选择SA4828芯片提供3种可选标准波

56、形。单纯正弦波用于只注重波的应用场合，例如开关电源、不间断电源和其它波形发生器。（6）幅值控制（AC）幅值控制位定义了三相波形幅值的受控方式。三相波形幅值可以统一控制或分别控制。（7）看门狗定时器（WD）看门狗定时器包括一个按照时钟频率的约数衰减的16位可编程计数器。当计数器减少到终点值时，PWM输出被关断。定时时间由下式给出： （3.5）利用看门狗可提高系统的可靠性。3.2.4控制寄存器的参数设定SA4828控制寄存器如表 3.2 所示表3.2 SA4828控制寄存器参数空间分配表76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PF

57、S13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTECRINHF/BR3RAM7RAM6RAM5RAM4RAM3RAM2RAM1RAM0R4BAM7BAM6BAM5BAM4BAM3BAM2BAM1BAM0R5YAM7YAM6YAM5YAM4YAM3YAM2YAM1YAM0（1）电源频率（PFS）电源频率可在最大电源频率围按一定的比例来选择。整个电源频率围被划分为65536等份。电源频率由下式给出： （3.6）（2）电源波形幅值（RAMP、YAMP、BAMP）电源波形幅值定义输出脉宽调制波的有效均值。幅值的百分比计算公式如下： （3.7）在控制系统运行中，A的值要经过实时调整、计

58、算不断地改写3940。3.2.5参数计算（1）时钟的确定。由于此逆变控制系统为风力发电的一部分，其输出的频率应为工频50Hz，而IPM要求载波频率应为520kHz，则根据公式（3.1）、（3.2）、（3.7），又由于SA4828最大载波为24kHz，经计算得到符合条件的时钟频率为9.8304MHz或19.6608MHz。实验用的时钟为19.6608MHz。SA4828有一路时钟输入，而且该芯片对时钟要求较高，故选择可靠性与稳定性都比较好的有源时钟作为SA4828的时钟输入。有源晶振应用电路如图3.3 所示其中1脚为禁止端（工作时可悬空或接电源）、2脚接地、3脚为有源晶振的输出、4脚接3.3V5

59、V的电源。VCCGNDOUTCLK+5V图3.3 有源时钟电路（2）CFS的确定由于时钟频率为19.6608MHz，故当n=1时载波频率为9.6kHz，符合520kHz的要求，所以CFS=001。（3）FRS的确定设输出最大频率为100Hz，则由式（3.9）得m=3，所以FRS=110。（4）PDY的确定死区时间定为5,则由式（3.10） 得 PDY=100110。（5）PDT的确定将最小取消脉冲定为10，则由式（3.11）得 PDT=1001101。（6）PFS的确定由于最大输出电源频率围定为100Hz，而输出电源频率固定为50Hz，则由式（3.13） 得PFS=0x8000。3.3 IPM

60、驱动电路的设计IPM需要4组隔离的+15V的电源，本实验使用的是稳压电源。变压器采用原边一个绕组，副边多个独立的绕组，副边每一个绕组经过整流、滤波再经过LM7815与滤波得到+15V的电压输出，图3.4 是一路电源电压输出电路图。1000uF0.1uFC1C2+VinGNDVoutC3C4+200uF0.1uFLM7815+15V图3.4 IPM电源电路图3.5驱动隔离电路A1A2A3A4A5A6A7GNDY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7K12345678161514131211109GNDNCANODECATHODE1234NCVCCVEVO8765GND6N137U1U2+5V+5V5.1KR1C10.1uFR2330GNDPortPortIPM的驱动相对IGBT来说要简单得多，只需要提供驱动电源和开关控制信号。需要注意的是IPM在控制脉冲为高电平时关断，低电平时导通。驱动电源的典型电压值为15V，每一含IGBT的