【正文】 實(shí)驗(yàn)中光耦采用6N137，該器 件是一種快速光耦，高電平傳輸延遲時(shí)間和低電平傳輸延遲時(shí)間均小于75ns，該光耦能夠滿足 IPM 高頻驅(qū)動(dòng)要求。 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IPM 需要 4 組隔離的 +15V 的電源，本實(shí)驗(yàn)使用的是穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)用的時(shí)鐘為 。當(dāng)計(jì)數(shù)器減少到終點(diǎn)值時(shí)， PWM 輸出被關(guān)斷。然而過短的脈沖只會(huì)增加逆變器開關(guān)管自身的開關(guān)損耗。 PIC 單片機(jī)與 SA4828 的連接如圖 所示： SA4828 PIC16F877A VSS VDD __WR ___CS MUX RS___RD RB0 RE1 RE0 RD07 AD07 ______TRIP ALE 圖 PIC 單片機(jī)和 SA4828 連接圖 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 SA4828 初始化寄存器的參數(shù)設(shè)定 SA4828 初始化寄存器如 表 所示 7 6 5 4 3 2 1 0 R0 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 R1 PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY0 R3 AC 0 0 WS1 WS0 R4 WD15 WD14 WD13 WD12 WD11 WD10 WD9 WD8 R5 WD7 WD6 WD5 WD4 WD3 WD2 WD1 WD0 （ 1） 載波頻率 （ CFS） 載波頻率定義了脈寬調(diào)制波中三角波的頻率。若是復(fù)用總線結(jié)構(gòu) ， 則將 MUX 引腳接高電平或懸空 ； 若是獨(dú)立地址數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu) ， 則需將 MUX 引腳接低電平。 （ 2） 三種 SPWM 調(diào)制波形輸出 ： SA4828 能輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波型，增強(qiáng)型波形和高效型波形。另外 IPM 還具有過電壓，過電流，過熱等故障檢測(cè)電路，將檢測(cè)信號(hào)送給 CPU 就可實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。實(shí)驗(yàn)中采用 PIC16F877A 型 單片機(jī)作為主控制器，其對(duì)反饋回的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字濾波后，在經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)后確定PWM 產(chǎn)生器 SA4828 的幅值控制寄存器的值，進(jìn)而調(diào)節(jié)逆變電路的輸出，并通過顯示電路顯示出系統(tǒng)的最新運(yùn)行狀態(tài)。通過負(fù)載突變的仿真結(jié)果可知， 達(dá)到了輸出電壓恒定的目的。 圖 葉尖速比、槳距角和風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 仿真結(jié)果 （ 1） 變槳距系統(tǒng)仿真 在仿真中采用 PID 控制方法，通過調(diào)節(jié)槳距角及葉尖速比來進(jìn)行變槳距的控制。 圖 風(fēng)力 機(jī)模塊 節(jié)距角既可以通過功率反饋也可以通過轉(zhuǎn)速反饋來確定，這里是通過轉(zhuǎn)速反饋來確定的。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制的總體方案是 ： 額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化 槳 距角定漿距運(yùn)行，由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲 ； 在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機(jī)變漿距運(yùn)行，由風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)節(jié)距角來改變 風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行而可能造成的事故。風(fēng)能利用系數(shù) PC 只有在葉尖速比 ? 為某一定值 m? 時(shí)才達(dá)最大。 ~ ~ 控制系統(tǒng) 輸出電壓 偏航控制 變槳距控制 風(fēng)速 永磁發(fā)電機(jī) 交流 /直流 變換器 直流 /交流 逆變器 濾波器 圖 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 風(fēng)力機(jī)的功率特性 風(fēng)力機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件 [26]，它用來截獲流動(dòng)空氣所具有的動(dòng)能，并將風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能，所以它不僅決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出，而且直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行 [27~29]。 （ 2） 本課題研究的具體內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面 ： 1） 針對(duì)中小功率永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行基于 Matlab/Simulink 的 變槳距 控制系統(tǒng)的仿真 模型 的 建立及仿真研究。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、造價(jià)高是變速機(jī)組的主要缺 點(diǎn) [1 19]。低風(fēng)速時(shí)可以調(diào)整葉片節(jié)距角以跟蹤最大Cp 曲線；高風(fēng)速時(shí)葉片節(jié)距角隨風(fēng)速變化只需微調(diào)即可維持葉片的失速狀態(tài)，從而使機(jī)組的輸出功率維持在額定功率附近。定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組在過去 20 年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終處于主導(dǎo)地位。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 [1 12]。這種發(fā)電機(jī)總有一個(gè)繞組未被利用，價(jià)格也高，而且兩個(gè)繞組的何時(shí)切換是系統(tǒng)控制的難點(diǎn)。 該系統(tǒng)如圖 所示， 定子有兩套極對(duì)數(shù)不同的繞組，一個(gè)稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個(gè)稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網(wǎng)。通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能，然后送入電網(wǎng)。所以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)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(jī)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，沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 它能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在 maxpp CC ? 的點(diǎn)上 （ 即風(fēng)能利用系數(shù)保持最佳值 ） ，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用 [5]。我國在風(fēng)力發(fā)電的總體技術(shù)上與風(fēng)力發(fā)電強(qiáng)國仍有一定的差距，但近年來我國在風(fēng)力發(fā)電的容量及技術(shù)方面也有了可喜的進(jìn)步，例如，沈陽工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的 863MW 級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建立 便 是 我 國在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重大突破。這些國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究與應(yīng)用投入相當(dāng)大的人力及資金，制定了開發(fā)規(guī)劃，和優(yōu)惠的稅收政策，他們充分利用空氣動(dòng)力學(xué)、新材料、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及自動(dòng)控制等領(lǐng)域的新技術(shù)研制和開發(fā)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行技術(shù)。常規(guī)能源以 煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。該控制器采用 PIC 單片機(jī) 為核心， 通過 檢測(cè)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電流等量完成變槳距及偏航控制 ，同時(shí)為增強(qiáng)控制器的抗干擾性能，對(duì)輸入及輸出進(jìn)行了光電隔離 。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 摘 要 由于以石油、煤等的 能源 緊缺 ， 同時(shí)這些 傳統(tǒng) 能源對(duì) 環(huán)境 造成了越來越嚴(yán)重的污染，已經(jīng)關(guān)系到 人類 的 生存和發(fā)展問題 ， 因而 以 風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源 越來越受到人們的重視并且近年來 有了較快的發(fā)展。 文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)仿真和 各系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并給出了仿真和試驗(yàn)的結(jié)果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 獨(dú) 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視 。經(jīng)過十 多年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸趨于成熟，逐漸建立了評(píng)估風(fēng)力資源的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了失速控制風(fēng)輪及葉片設(shè)計(jì)理論，提出和采用了新型葉片材料及翼形，研制成功變槳距控制風(fēng)機(jī)，開發(fā)了微機(jī)控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)和機(jī)群自動(dòng)控制的技術(shù)等等，這大大提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率及可靠性。 風(fēng)力發(fā)電的 研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電的 不斷 發(fā)展過程中， 在 控制方式中出現(xiàn)了恒速恒頻與變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，在功率調(diào)節(jié)發(fā)展過程中，出現(xiàn)了定槳距和變槳距 等調(diào)節(jié)方式。所以 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與恒速恒頻發(fā)電技術(shù)相比具有顯著的 優(yōu)越性，首先大大提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，顯著降低了由風(fēng)施加到風(fēng)力機(jī)上的機(jī)械應(yīng)力；其次通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電流幅值﹑頻率和相位可調(diào)的控制，實(shí)現(xiàn)了變速下的恒頻運(yùn)行通過矢量變換控制還能實(shí)現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦控制 ， 提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性和動(dòng)﹑靜態(tài)穩(wěn)定性 [6]。這種方案盡管實(shí)現(xiàn)了變速恒頻，具有了變速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是由于變頻器在定子側(cè)，變頻器的容量顯著增加，尤其是對(duì)大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)子為籠型或磁阻式結(jié)構(gòu)，無需電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè) 繞組極對(duì)數(shù)之和 [10]。所以現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的較少 [ 10]。 在過去的 20 多年當(dāng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型從轉(zhuǎn)速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術(shù)最為先進(jìn)的變速變槳距型發(fā)電效率在顯著提高特別是變速變槳距機(jī)組其發(fā)電機(jī)中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平我國關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的研究主要是針對(duì)中小型固定轉(zhuǎn)速的變槳距型 [1]而兆瓦級(jí)的大型變速變槳距型的風(fēng)電機(jī)組的研究還僅處于起步階段 [13]。即使在近幾年商品化的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，失速型機(jī)組仍占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額 [14]。同時(shí)，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角以適應(yīng)空氣密度的變化及減少因葉片表面污染造成的影響。 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電趨勢(shì) 傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，大多采用異步發(fā)電機(jī)，但是采用異步發(fā)電機(jī)需要增加增速機(jī)，這就導(dǎo)致了機(jī)械損耗，需要定期維護(hù)。 2） 針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電壓頻率變化的電能， 進(jìn)行交直交變流控制。 由風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性知，風(fēng)力機(jī)的輸入功率為 [6]： 32 21)(21 SvvSvPw ?? ????? （ ） 式中 ： ? ——空氣密度， mk； S——風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積 ； v ——空氣進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面以前的風(fēng)速 (即未擾動(dòng)風(fēng)速 )。 永磁同步發(fā)電機(jī)的模型 永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù) 方便、效率高等優(yōu)點(diǎn) ， 采用新型高性能稀土永磁材料裝置的電路拓?fù)鋾r(shí) ， 還可以使電機(jī)的體積和重量大為減小。因此，額定風(fēng)速以下運(yùn)行是變速恒頻發(fā)電運(yùn)行的主要工作方式，也是經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行方式。該模塊如圖 所示。 仿真參數(shù)：額定輸出功率為 20kW，額定轉(zhuǎn)速為 110r/min，額定輸出電壓為400V，永磁直驅(qū)的極對(duì)數(shù)為 40。 本章小 結(jié) 本章著重闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的相 關(guān)理論，如風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性等， 根據(jù) 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 理論，對(duì)變槳距控制系統(tǒng)和交直交變流系統(tǒng)的負(fù)載突變進(jìn)行了仿真，并給出了仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可知，達(dá)到了仿真的目的，驗(yàn)證了控制策略的可行性。 交流 輸入 整流 電路 濾波 電路 逆變 電路 輸出 濾波 負(fù)載 光耦隔離 PWM 專用芯 片 SA4828 IPM 保 護(hù)信號(hào) PIC 單片機(jī) 輸出顯示 檢測(cè) 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 （ 2） 整流電路。 （ 5） 專用 PWM 產(chǎn)生器 SA4828 和隔離電路。標(biāo)準(zhǔn)正弦波型即一般交流電機(jī)和靜態(tài)逆變器通常采用的波形 ； 增強(qiáng)型波形又稱三次諧波， 可 輸出功率提高 20%，三相諧波互相抵消，防止了電機(jī)發(fā)熱 ； 高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，在一個(gè)周期中，高壓側(cè)和低壓側(cè)的開關(guān)保持 60 度的間隙，不但節(jié)省了 33%的開關(guān)損耗，而 且 可使用更少，更便宜的功率器件或減少散熱片的體積，提高了功率開關(guān)器件的可靠性。芯片由寄存器選擇引腳 RS 來區(qū)分是地址 （ RS=0） 還是數(shù)據(jù) （ RS=1） 。載波頻率的選擇大多取決于逆變器所使用的半導(dǎo)體功率器件。因此需定義一個(gè)最小的脈沖寬度。定時(shí)時(shí)間由下式給出 ： CLKwd fTIMt 1024?? （ ） 利用看門狗可提高系統(tǒng)的可靠性。 SA4828 有一路時(shí)鐘輸入 ， 而且該芯片對(duì)時(shí)鐘要求較高，故選擇可靠性及穩(wěn)定性都比較好的有源時(shí)鐘作為 SA4828 的時(shí)鐘輸入。變壓器采用原邊一個(gè)繞組，副邊多個(gè)獨(dú)立的繞組，副邊每一個(gè)繞組經(jīng)過整流、濾波再經(jīng)過 LM7815 及濾波得到 +15V 的電壓輸出，圖 是一路 電源 電壓輸出 電路 圖。 由于 6N137 是 OC 門電路，雖然其高速性能很好，但負(fù)載增加后，輸出電流加大，將會(huì)導(dǎo)致其關(guān)斷能力有所下降，容易造成其驅(qū)動(dòng) IPM 的 PWM 波形的上升沿、下降沿不陡，使得 IPM 無法有效關(guān)斷，這將導(dǎo)致 IPM 發(fā)生短路現(xiàn)象燒毀 IPM。 SA4828 輸出的 PWM 波形不能直接驅(qū)動(dòng) IPM，須經(jīng)過光耦隔離。 （ 6） PFS 的確定 由于最大輸出電源頻率范圍定為 100Hz， 而輸出電源頻率固定為 50Hz，則由式（ ） 得 PFS=0x8000。 由于此逆變控制系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電的一部分，其輸出的頻率應(yīng)為工頻 50Hz， 而 IPM 要求載波頻率應(yīng)為 5～ 20kHz，則根據(jù)公式 （ ） 、 （ ）、（ ） ， 又由于 SA4828 最大載波為 24kHz，經(jīng)計(jì)算得到符合條 件的時(shí)鐘頻率為 或 。 （ 7） 看門狗定時(shí)器 （ WD） 看門狗定時(shí)器包括一個(gè)按照