独立式PMSG风电实验平台的研究与实现

【摘要】：随着化石能源的大量使用,地球上的不可再生能源储藏量日益减少,因此,人们试图寻找可再生能源作为化石能源的替代物,如太阳能、风能、水能、核能、生物质能等,其中风能储藏量巨大、分布广、无污染,已经得到广泛的开发应用。在实验室中对风力发电技术进行前期研究时,无法依靠实际风电场环境,因此,风力发电实验平台的建立意义重大,可以降低研究成本,缩短研究时间,加快风电技术的发展。 首先,本文介绍了风电实验平台的工作原理及技术现状,对比了几种常用的风电实验平台。在此基础上,确定一套离网式风电实验平台的方案,分别采用异步电动机(IM-Induction Motor)和永磁同步发电机(PMSG-Permanent Magnet Synchronous Generator)作为这套平台的风力机模拟原动机和发电机,通过变流器的控制最终实现对220V/50Hz可选交流负载供电。 其次,对比分析了常用异步电动机控制策略:矢量控制和直接转矩控制的优缺点,最终确定在传统直接转矩控制策略中引进模糊控制和神经网络,分别以模糊控制器和神经网络定子磁链观测器代替传统方法中的滞环比较器及u-i/i-n/u-n定子磁链观测器,实现对异步电动机的智能直接转矩控制,达到精确模拟风力机输出转矩的目的。 最后,在所选平台方案结构基础上,采用DSP320F2812完成系统硬件和软件设计。系统设计包括风力机模拟子系统和离网发电子系统两部分。风力机模拟子系统主要解决:直流母线电压和定子电流采样电路、光耦隔离电路以及整流逆变电路的器件选型,智能直接转矩控制所涉及到的算法及其DSP实现;离网发电子系统主要解决:风电实验平台的主电路拓扑、器件选型及控制策略的软件设计。 仿真和实验结果验证了系统达到预期任务,智能直接转矩控制策略有效地减少了磁链和转矩脉动,适用于采用PMSG的低速风电系统。 【关键词】：风力发电 实验平台 模糊控制 神经网络 直接转矩控制
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 风电实验平台的研究背景及意义7
• 1.2 风电实验平台简介7-10
• 1.2.1 风电实验平台组成结构7-8
• 1.2.2 风电实验平台分类8-10
• 1.3 风电实验平台发展现状及趋势10
• 1.4 本课题研究任务及内容10-13
• 第二章 独立式PMSG 风电实验平台总体设计13-23
• 2.1 风力机及异步电机运行特性13-18
• 2.1.1 风力机空气动力学13-14
• 2.1.2 风力机输出特性曲线14-17
• 2.1.3 异步电动机运行特性17-18
• 2.1.4 异步电动机模拟风力机可行性分析18
• 2.2 风电实验平台变流器拓扑结构的分类18-20
• 2.2.1 不控整流+PWM 电压源型逆变器18-19
• 2.2.2 不控整流+Boost 电路+PWM 电压源型逆变器19
• 2.2.3 双PWM 变流器19-20
• 2.3 独立式PMSG 风电实验平台总体设计方案20-21
• 2.4 本章小结21-23
• 第三章 独立式PMSG 风电实验平台核心控制策略23-37
• 3.1 数学模型23-27
• 3.1.1 异步电动机非线性动态模型23-25
• 3.1.2 永磁同步发电机非线性动态模型25-26
• 3.1.3 模拟风场数学模型26-27
• 3.2 异步电动机控制策略研究27-29
• 3.2.1 传统直接转矩控制原理27-28
• 3.2.2 智能直接转矩控制原理28-29
• 3.3 定子磁链观测器研究29-33
• 3.3.1 传统定子磁链观测模型29-31
• 3.3.2 神经网络定子磁链观测模型31-33
• 3.4 模糊控制器设计33-36
• 3.4.1 模糊子集的选取34-35
• 3.4.2 模糊规则的建立35
• 3.4.3 模糊推理与模糊决策35-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第四章 独立式PMSG 风电实验平台系统软硬件设计37-49
• 4.1 系统硬件设计37-38
• 4.1.1 风力机模拟子系统硬件设计37-38
• 4.1.2 离网发电子系统硬件设计38
• 4.2 主电路设计及器件选型38-43
• 4.2.1 风力机模拟子系统主电路设计38-40
• 4.2.2 离网发电子系统主电路设计40-43
• 4.3 控制电路设计43-44
• 4.3.1 直流母线电压采样电路43-44
• 4.3.2 定子电流采样电路44
• 4.4 系统软件设计44-47
• 4.4.1 主程序及中断子程序设计44-46
• 4.4.2 神经网络训练算法流程图46-47
• 4.5 本章小结47-49
• 第五章 独立式PMSG 风电实验平台系统仿真及实验结果分析49-55
• 5.1 系统仿真结果及分析49-52
• 5.1.1 离网发电子系统仿真结果及分析49-51
• 5.1.2 风速模型仿真结果及分析51-52
• 5.2 系统实验结果及分析52-54
• 5.3 本章小结54-55
• 第六章 总结和展望55-57
• 致谢57-59
• 参考文献59-63
• 附录A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研项目63-64
• 附录B：装置图片64-65

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