【正文】 .................................... 32 SPWM 調(diào)制方法 ................................................................................... 33 數(shù)字 PID控制算法 .......................................................................................... 34 位置式 PID控制算法 ............................................................................ 35 增量式 PID控制算法 ............................................................................ 36 防脈沖干擾平均值濾波 ................................................................................... 38 主程序的設(shè)計 .................................................................................................. 38 A/D轉(zhuǎn)換及濾波中斷子程序的設(shè)計 ............................................................... 39 實驗結(jié)果 .......................................................................................................... 40 小結(jié) ................................................................................................................. 41 5 變槳距及偏航控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 ..................................................................... 42 風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的測量 .......................................................................................... 42 頻率量的測量 ........................................................................................ 42 風(fēng)速的檢測 ............................................................................................ 43 風(fēng)速儀信號的模擬 ................................................................................ 45 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 轉(zhuǎn)速的測量 ............................................................................................ 45 邏輯量的檢測 .................................................................................................. 46 充電電流的檢測電路的設(shè)計 ................................................................. 47 蓄電池的電壓檢測 ................................................................................ 49 槳距角及偏航極限位置的檢測設(shè)計 ...................................................... 50 控制系統(tǒng)的輸出控制設(shè)計 ............................................................................... 50 顯示電路的設(shè)計 .............................................................................................. 51 主程序的設(shè)計 .................................................................................................. 52 控制系統(tǒng)的抗干擾措施 ................................................................................... 54 硬件抗干擾措施 ........................................................................................... 54 軟件抗干擾措施 ........................................................................................... 56 本章小結(jié) .......................................................................................................... 56 6 結(jié)論 ........................................................................................................................... 57 參 考 文 獻 ................................................................................................................. 58 在學(xué)研究成果 ............................................................................................................... 62 致 謝 ........................................................................................................................ 63 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 緒論 課題背景 現(xiàn)代社會的存在和發(fā)展離不開能源，而人類的發(fā)展對環(huán)境的破壞情況又非常嚴(yán)峻，所以 能源 和 環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。 風(fēng)力發(fā)電 作為可再生能源相對傳統(tǒng)能源 的優(yōu)越性可歸納為三點 [3]： （ 1） 建造風(fēng)力發(fā)電場的費用低廉，比水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠或核電站的建造費用低得多 。美國、丹麥、荷蘭和德國等國家對風(fēng)力發(fā)電的研究和應(yīng)用投入了相當(dāng)大的人力和資金，是目前世界上風(fēng)力發(fā)電方面處于領(lǐng)先地位的幾個國家。由于風(fēng)力發(fā)電與其他燃料能沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 源發(fā)電有著不可比擬的優(yōu)點在一些發(fā)達國家中的規(guī)劃到 20xx 年利用風(fēng)力發(fā)電量將要占發(fā)電總量的 5～ 10%[3]。國家提出建設(shè)和諧的社會，以及人們對環(huán)境的重視，使我國不斷尋求新能源，而風(fēng)能作為潛力巨大的清潔能源也得到了國家的重視，近年來 ，我國出臺了相應(yīng)的利用風(fēng)能等的政策，并加大了開發(fā)風(fēng)能的力度。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速 (也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 )不變 ，從而得到恒頻的電能。因此需要改變風(fēng)力機對風(fēng)能的利用率 （ 即風(fēng)能利用系數(shù)偏離最佳值 ） 來使發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持不變?？捎糜陲L(fēng)力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有多種，有的是發(fā)電機與電力電子裝置相結(jié)合實現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的。 由于風(fēng)速的不斷變化，帶動風(fēng)輪機以及發(fā)機的轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以發(fā)電機發(fā)出電的頻率也是變化的。 （ 2） 永磁發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。 （ 3） 無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 采用的發(fā)電機為無刷雙饋發(fā)電機。風(fēng) 輪機 的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速而變化。電機的兩種轉(zhuǎn)速決定于兩個繞組的極對數(shù)，比起單速機來，優(yōu)點是比單一轉(zhuǎn)速有較高的年發(fā)電量，缺點是它 屬于不連續(xù)變速恒頻系統(tǒng)，不能獲得變速運行所有的好處。該系統(tǒng)的優(yōu)點是控制線路簡單，發(fā)電輸出電壓波形好。它也能阻止風(fēng)力機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速快速變化，這一點就像一個低通濾波器。 （ 1） 定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距機組的主要結(jié)構(gòu)特點是葉片與輪毅的連接是剛性的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，葉片的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速型風(fēng)電機組的最大優(yōu)點是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可靠性高。變槳距機組的最大特點是通過葉片和輪毅之間的齒輪傳動機構(gòu)或曲柄連桿機構(gòu)來使葉片的攻角隨風(fēng)速改變而改變，即使機組在不同風(fēng)況下保持最佳攻角，從而 使機組在低風(fēng)速下跟蹤最佳葉尖速比，在高風(fēng)速下通過發(fā)電機功率反饋調(diào)節(jié)葉片迎風(fēng)角，使輸出功率保持在額定功率附近 [15]。主動失速型風(fēng)力機葉片通過軸承固定在輪毅上，但葉片可圍繞其縱向軸線 旋轉(zhuǎn)以此調(diào)整節(jié)距角。該種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點是無需靈敏的調(diào)節(jié)速度，風(fēng)能利用效率高，輸出功率易于控制 [15]。因為其具有風(fēng)能利 用系數(shù)高、運行風(fēng)速范圍大、葉片結(jié)構(gòu)簡單、可以精確控制功率因數(shù)、傳動系統(tǒng)柔性好、陣風(fēng)的能量可以通過葉輪加速得以儲存、啟動制動性能好以及低風(fēng)速時機組運行噪音低等優(yōu)點而會在不久的以后取代恒速機組成為新建風(fēng)電場的主裝機型，是以后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，也應(yīng)成為我國技術(shù)引進的首選機型。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機由于不需要齒輪箱，因而能夠改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換 的效率 。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 課題的來源和研究內(nèi)容 （ 1） 本課題的來源 本課題來源于沈陽工業(yè)大學(xué)電氣控制技術(shù)研究所和沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能所的“ 20kW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)”的子項目。 3） 完成 永磁 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)完成變槳距及偏航控制 系統(tǒng)的軟 硬件設(shè)計。 風(fēng) 力 機將捕獲的風(fēng)能以機械能的形式驅(qū)動永磁發(fā)電機，而永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而變化， 因而發(fā)出的電能是電壓和頻率都變化的電能， 為得到恒壓恒頻的電能就必須進行交直交變流，再通過濾波器濾波將逆變器輸出變換成正弦波輸出 ，蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時放電，高于額定風(fēng)速時充電，使輸出 功率保持恒定 。 根據(jù)貝茨理論， pC 的最大值為 。 風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)，即風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的效率 與葉尖速比密切相關(guān)。 永磁同步發(fā)電機 的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩 在 dq 軸 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 系下 的數(shù)學(xué)關(guān)系為 [9]： mrddrqqq iLipLrv ??? ????? )( （ ） qqrddd iLipLrv ????? )( （ ） ? ?? ?qmdqqde iiiLLPT ???????????????? 223 （ ） 式中 ： dL , qL ——d 軸、 q 軸電樞電感 ； r ——一相繞組的電樞電阻 ； di ,qi ——d 軸、 q 軸電樞電流 ； dv , qv —— d 軸、 q 軸電壓 ； r? ——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度 ； m? —— 永磁電機 q 軸繞組產(chǎn)生的漏磁鏈 ； P ——電 機的極對數(shù) ； p——p=d/dt 為微分算子符號 。所以恒速恒頻風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)不能實現(xiàn)風(fēng)力機的最大風(fēng)能利用 ； 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則不必保持風(fēng)力機轉(zhuǎn)速恒定，而通過其它控制方式來得到恒定頻率的電能，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機運行在maxpC 的點上 （ 即風(fēng)能利用系數(shù)保持最佳值 ） ，實現(xiàn)最大風(fēng)能利用[3 33]。 基本控制策略：低于額定風(fēng)速時 ， 跟蹤 maxpC 曲線 ， 以獲得最大能量；高于額定風(fēng)速時，跟蹤 maxP 曲線并保持輸出穩(wěn)定。 圖 風(fēng)速模塊 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 風(fēng)力 機模型如圖 所示，風(fēng)速值輸入到模塊中，通過功率模塊計算出風(fēng)輪機的捕獲功率，捕獲的功率除以風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，得到風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即可作為永磁發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩。 本仿真采用的 葉尖速比、槳距角和風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系 如圖 所示，通過此關(guān)系可得到功率系數(shù)，該表用二維查表得到，并采用插值以得到更準(zhǔn)確的數(shù)值。為使逆變器輸出的高頻脈沖