IM-PMSG风电模拟实验平台的研究与设计

【摘要】：经济的发展使能源的消耗量剧增，但传统的化石燃料存储有限，风电作为一种无污染的可再生能源逐渐进入研究者的视线，成为新能源研究领域的重点。根据研究时间的不同，可将风力发电的研究过程划分为前期实验和后期实践两个阶段。风力发电后期实践的重要性不言而喻，而前期实验正是其基础，所以对风力发电的前期实验进行研究具有重要意义。在前期实验的过程中，一方面，由于风力发电实验环境较为苛刻，现场调试较为困难。另一方面，单纯物理实验中也存在一些现实中不易解决的问题。所以本文拟将软硬件结合，搭建一个风电模拟实验平台，并验证该平台中所采用的控制策略与算法的正确性。 本文采用异步电动机（IM，Induction Motor）拖动永磁同步发电机（PMSG，PermanentMagnet Synchronous Generator）的设计方案，通过以下三部分完成对整个风电模拟实验平台的研究与设计： （1）分析风速模型，通过仿真对设计方案进行验证。首先分析异步电动机输出特性以及风力机输出特性，然后设计异步电动机模拟风力机输出特性的方案，并搭建风力机的输出模型，最后通过仿真对方案进行验证； （2）对基于风力机转矩模型的异步电动机控制策略加以分析。本文采用改进型空间电压矢量（SVPWM，Space Vector Pulse Width Modulation）的双滞环电流控制，其核心是通过选择最佳的空间电压矢量，使输出的定子电流误差值最小。通过对IM控制策略进行仿真，验证其输出特性的正确性； （3）对永磁同步发电机采用的控制策略，做进一步分析。此环节中需对最大功率点跟踪（MPPT，Maximum Power Point Tracking）的控制策略进行分析，本文采用基于停止、重启机制的MPPT控制策略，其核心是当斜率接近于零，采用停止机制，扰动步长为零；当外界环节突变时，采用重启机制，给定初始扰动步长与跟踪方向。通过对PMSG进行控制并加以仿真，验证结果的正确性。 在完成上述研究与设计的基础上，按照IM-PMSG风电模拟实验平台的电气技术指标，完成实验平台的硬件电路设计及其元器件的选型，完成主控制芯片TMS320F2812的外围电路设计以及对所需控制软件的设计，最后通过调试风电模拟实验平台，完成对数据实时监控。 【关键词】：风力实验平台 异步电动机 永磁同步发电机 空间电压矢量 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 研究背景及意义7
• 1.2 风力发电及实验平台的发展现状7-9
• 1.2.1 风力发电的国内外发展现状7-8
• 1.2.2 风电实验平台的国内外现状8-9
• 1.3 小型风电实验平台的构成及其选择9-11
• 1.3.1 原动机的分类及其选择9-10
• 1.3.2 风电实验平台发电系统的分类及其选择10-11
• 1.4 本文研究内容与目标11-13
• 1.4.1 研究内容11-12
• 1.4.2 研究目标12
• 1.4.3 技术指标12-13
• 1.5 本文创新点13-15
• 第二章 风力机特性及模拟方案的研究15-25
• 2.1 风速模拟15-16
• 2.2 异步电动机模拟风力机特性的研究16-20
• 2.2.1 风力机特性16-18
• 2.2.2 异步电动机特性18-19
• 2.2.3 异步电动机特性与风力机特性比较分析19
• 2.2.4 异步电动机模拟风力机的实现方案19-20
• 2.3 机械传动轴设计20-21
• 2.4 Matlab 模型仿真与分析21-24
• 2.4.1 风速模型仿真与分析21-22
• 2.4.2 风力机模型仿真与分析22-23
• 2.4.3 机械传动轴仿真23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 基于风力机转矩模型的 IM 控制策略25-37
• 3.1 异步电动机数学模型的构建25-26
• 3.2 基于风力机转矩模型的 SVPWM 控制系统策略26-31
• 3.2.1 基于风力机模型的转矩控制26-27
• 3.2.2 改进型 SVPWM 的双滞环电流控制27-31
• 3.3 Matlab 仿真及结果分析31-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 风电模拟实验平台的 PMSG 的控制策略37-47
• 4.1 永磁同步发电机数学模型37
• 4.2 永磁同步发电机的控制37-38
• 4.3 MPPT 控制策略的研究38-43
• 4.3.1 常用 MPPT 控制策略39-40
• 4.3.2 基于停止、重启机制的 MPPT 控制策略40-43
• 4.4 Matlab 仿真及结果分析43-45
• 4.5 本章小结45-47
• 第五章 风电模拟实验平台的实现47-61
• 5.1 风电模拟实验平台系统硬件设计47-48
• 5.1.1 模拟风力机系统硬件原理图47-48
• 5.1.2 离网发电系统硬件原理图48
• 5.2 系统电路设计48-51
• 5.2.1 模拟风力机运转侧电路48-50
• 5.2.2 PMSG 输出侧电路50-51
• 5.3 DSP 外围电路分析51-54
• 5.3.1 DSP 功能的介绍51-52
• 5.3.2 电源模块设计52
• 5.3.3 旋转编码器的选择52
• 5.3.4 检测电路的选择52-54
• 5.3.5 IGBT 驱动模块选择54
• 5.4 控制策略的软件设计54-57
• 5.5 系统实验分析与数据监控57-60
• 5.6 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 致谢63-65
• 参考文献65-69
• 附录 A：仿真系统图69-70
• 附录 B：相关硬件电路70-71
• 附录 C：作者在攻读硕士学位期间发表的论文71

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