【正文】 驅(qū)動(dòng)電源的典型電壓值為 15V，每一內(nèi)含 IGBT 的驅(qū)動(dòng)功率約為 ，故總驅(qū)動(dòng)功率 小于 2W。電源頻率由下式給出 ： PFSff R A NG EP O W E R ?? 6 5 5 3 6 （ ） （ 2） 電源波形 幅值 （ RAMP、 YAMP、 BAMP） 電源波形幅值定義輸出脈寬調(diào)制波 的有效均值。電源頻率范圍確定了最大的電源頻率。在電路不變的情況卜，通過修改參數(shù)就可以改變逆變器的性能指標(biāo) ，驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載，或工作于不同的工況，大大節(jié)約了硬件成 本。采用 IPM 全橋逆變電路的輸出為一系列高頻脈沖，要想得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，必須濾掉其高頻成分， LC 濾波電路的作用正是濾除高頻，其參數(shù)由 LC 濾波器的諧振頗率和特征阻抗決定。在額定風(fēng)速以上時(shí)進(jìn)行槳距角的調(diào)節(jié)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率恒定。為達(dá)到變速控制的要求，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常包含 變速發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和變槳距機(jī)構(gòu)。一般的水平軸風(fēng)力機(jī)， pC =～ ，同時(shí)考慮到在風(fēng)場中風(fēng)力機(jī)會(huì)受到風(fēng)速與風(fēng)向波動(dòng)的影響，高速風(fēng)輪實(shí)際的 maxpC 大致在 左右，很難超過 [30]。其 優(yōu)點(diǎn)有：去掉了齒輪箱；減小維護(hù) （ 不需要定期維護(hù) ） ； 氣室設(shè)計(jì)簡化 [20]。 變槳距機(jī)組具有風(fēng)能利用系數(shù)高、啟動(dòng)制動(dòng)性能好、葉片結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)變槳機(jī)構(gòu)可使葉片和整機(jī)的受力狀況大為改善，這有利于大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是效率低 ， 相當(dāng)一部分風(fēng)能消耗在轉(zhuǎn)差離合器磁極的發(fā)熱上 [10]。其變速恒頻控制也是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機(jī)的變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化 而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻 [4～ 6]。 （ 2） 不需火力發(fā)電所需的煤 、油等燃料或核電站所需的核材料即可產(chǎn)生電力，除常規(guī)保養(yǎng)外，沒有其他任何消耗 。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 控制器采用 PIC 單片機(jī)并結(jié)合 PWM芯片 SA4828，用 IPM 作為逆變輸出，并 采用 LC 濾波器將 IPM 輸出波形濾成正弦波，電壓反饋采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD736 完成電壓 樣任務(wù)。 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月 二十 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解 濱州學(xué)院 關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。東南沿海、內(nèi)蒙古北部、新疆 、 甘肅等地區(qū)均屬于風(fēng)能資源地區(qū)，平均 速 風(fēng)速為 6m/s，有效風(fēng)能密度多 200W/m2，有很好的開發(fā)利用條件 [2]。為 充分利用風(fēng)能，應(yīng)深入研究各種變速恒頻技術(shù)。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情況下，可通過改變勵(lì)磁電流的頻率關(guān)，使發(fā)電機(jī)的輸出電 頻率保持不變 [89]。定槳距機(jī)組提出了兩個(gè)必須解決的問題：一是當(dāng)風(fēng)速超過機(jī)組的額定風(fēng)速時(shí)，葉片必須能夠自動(dòng)將機(jī)輸出功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能是有限度的；二是運(yùn)行中的風(fēng)電機(jī)組在突然切出電網(wǎng)的情況下，葉片本身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)電機(jī)組在各種緊急情況下能夠安全停機(jī)，因?yàn)閷?duì)于慣性很大的大型風(fēng)電機(jī)組，如果僅僅依靠安裝在低速軸或高速軸上的機(jī)械剎車裝置來進(jìn)行制動(dòng)，就會(huì)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。變速恒頻技術(shù)是近幾年發(fā)展成熟的技術(shù)，而且已經(jīng)在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組市場上占有較大的份額，目前以德國DEWIND 公司和 ENERCON 公司生產(chǎn)的變速機(jī)組為代表。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論日趨成熟，為提高系統(tǒng)的可靠性、提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和降低發(fā)電成本，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有向大型化發(fā)展的趨勢，而永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于可提高發(fā)電效率，減少系統(tǒng)維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)也成為風(fēng)力 發(fā)電的方向之一 [23~25]。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般采用普通的同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)由于同步發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率滿足 60/pnf ? 的關(guān)系，要使頻率 f 保持不變，則應(yīng)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 保持不變。由于系統(tǒng)需要永磁發(fā)電機(jī)，所以風(fēng)輪機(jī)的輸出為負(fù)。芯片的選擇使軟件非常簡捷，微處理器只用很少的時(shí)間去控制它。 SA4828 簡介 SA4828 的功能特點(diǎn) SA4828 專用大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部包含波形、頻率、幅值等控制信息，控制實(shí)行 全 數(shù)字化，重復(fù)性好，無溫漂，無時(shí)漂。通過 6 個(gè) 臨時(shí)寄存器 R0～ R 2 個(gè) 虛擬寄存器 R1 R15， 對(duì) 48 位的初始化寄存器和控制寄存器進(jìn)行編程 ， 獲得 PWM 波。 （ 6） 幅值控制 （ AC） 幅值控制位定義了三相波形幅值的受控方式。 （ 4） PDY 的確定 死區(qū)時(shí)間定為 5μs ,則由式 （ ） 得 PDY=100110。 電壓采樣電路的設(shè)計(jì) 在逆變控制中，為實(shí)現(xiàn)輸出恒壓恒頻必須對(duì) IPM 輸出 進(jìn)行電壓采樣，本文中采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD736 來完成電壓反饋的檢測。 圖 有源時(shí)鐘電路 （ 2） CFS 的確定 _________INHIBIT VCC GND VCC OUT CLK +5V 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 由于時(shí)鐘頻率為 ，故當(dāng) n=1 時(shí)載波頻率為 ， 符合 5~20kHz 的要求，所以 CFS=001。脈沖取消 時(shí)間由下式給出 ： 512127 ??? CARRpd f PDTt （ ） （ 5） 波形的選擇 SA4828 芯片內(nèi)提供 3 種可選標(biāo)準(zhǔn)波形。若不使用 SETTRIP引腳 ， 則應(yīng)將其接地 ， 以防干擾。由于系統(tǒng)強(qiáng)電部分和弱點(diǎn)部分要實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，所以中間需要加上光耦隔離。 逆變控制 系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu) 逆變 控制器由微處理器和 SPWM 發(fā)生器組成。 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。 永磁同步發(fā)電機(jī) 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(jī) q 軸繞組產(chǎn)生的漏磁鏈 ； P ——電 機(jī)的極對(duì)數(shù) ； p——p=d/dt 為微分算子符號(hào) 。 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(jì)。該種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)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]。 （ 1） 定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片與輪毅的連接是剛性的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，葉片的迎風(fēng)角度不能隨之變化。風(fēng) 輪機(jī) 的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速而變化?？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(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。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(diǎn)在一些發(fā)達(dá)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]。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本文主要 工作如下： 本文主要研究中小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，在理論上 ， 根據(jù)中小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ，完成了基于 Matlab/Simulink 的仿真，該仿真包括變槳距控制系統(tǒng)的仿真和交直交變流系統(tǒng)的負(fù)載突變的仿真兩部分 。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 如今，世界各國都在開發(fā)和利用風(fēng)能。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般采用普通的同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī) ， 由于同步發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率滿足 60/pnf ? 的關(guān)系，要使頻率 f 保持不變，則應(yīng)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 保持不變。盡管由于直接藕合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機(jī)體積大、成本高，但由于省去了價(jià)格較高的齒輪箱，使整個(gè)系統(tǒng)的成本還是降低了 [9]。這個(gè)慣量起的作用就像電路中的電流，當(dāng)風(fēng)力機(jī)加速是存儲(chǔ)能量，減速時(shí)釋放能量。 （ 3） 主動(dòng)失速調(diào)節(jié) 這種功率調(diào)節(jié)方式是前述兩種方法優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，目前 NEG MICON、 BONUS 公司在大于 600kW 機(jī)組上采用此技術(shù)。 目前，中國國內(nèi)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)企業(yè)已成功研制出了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)，并制造完成了包括齒輪箱、輪轂、主軸、延長段等零部件，為風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)；但由于風(fēng)電優(yōu)惠政策力度不夠，投資環(huán)境不佳，業(yè)主缺少融資渠道，國產(chǎn)風(fēng)機(jī)難以進(jìn)入市場，嚴(yán)重制 約了國產(chǎn)化風(fēng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 [22]。為在不考慮葉片轉(zhuǎn)速和直徑的條件下對(duì)葉片性能作更普遍的討論，還可定義出風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比入，即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比 [31]： vRnvR 602?? ??? （ ） 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 式中： ? —— 葉片旋轉(zhuǎn)的角速度； n —— 葉片的轉(zhuǎn)速 。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型的建立 在仿真中風(fēng)速給定 使通過以 時(shí)間 為輸入的一維 查表環(huán)節(jié)來產(chǎn)生，如圖 所示。 （ 2） 負(fù)載突變的仿真當(dāng)負(fù)載 在 時(shí) 從 5kW 變化到 9kW 時(shí)，逆變輸出電壓的變化如圖 到圖 所示。選用智能 功率模塊 IPM 作為逆變器件，它將功率開關(guān)器件 IGBT 和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，使用時(shí)只需提供驅(qū)動(dòng)電源和控制信號(hào)即可。 SA4828 芯片不需增加外圍電路 ， 只通過數(shù)據(jù)總線就可直接與任意微處理器進(jìn)行通訊 ?？紤]到功率器件工作頻率限制和開啟、關(guān)斷次數(shù)的不平衡，為了避免電流通過上下功率開關(guān)管形成短路，所以在改變功率開關(guān)表 SA4828初始化寄存器參數(shù)空間分配表 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 管的狀態(tài)時(shí)提供一段延時(shí)時(shí)間，此時(shí)上下開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。 參數(shù)計(jì)算 （ 1） 時(shí)鐘的確定 。針對(duì)以上特點(diǎn)及要求，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 圖 IPM電源電路 1000uF C1 C2 + Vin GND Vout C3 C4 + 200uF LM7815 +15V 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 IPM 的驅(qū)動(dòng)相對(duì) IGBT 來說要簡單得多，只需 要提供驅(qū)動(dòng)電源和開關(guān)控制信號(hào)。 控制寄存器的參數(shù)設(shè)定 SA4828 控制寄存器如表 所示 表 SA4828控制寄存器參數(shù)空間分配表 7 6 5 4 3 2 1 0 R0 PFS7 PFS6 PFS5 PFS4 PFS3 PFS2 PFS1 PFS0 R1 PFS15 PFS14 PFS13 PFS12 PFS11 PFS10 PFS9 PFS8 R2 RST WTE CR INH F/B R3 RAM7 RAM6 RAM5 RAM4 RAM3 RAM2 RAM1 RAM0 R4 BAM7 BAM6 BAM5 BAM4 BAM3 BAM2 BAM1 BAM0 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 R5 YAM7 YAM6 YAM5 YAM4 YAM3 YAM2 YAM1 YAM0 （ 1） 電源頻率 （ PFS） 電源頻率可在最大電源頻率范圍內(nèi)按一定的比例來選擇。載波頻率由 下式給出 ： 12512 ??? nCLKCARR ff （ ） 式中 ： CLKf ——為輸入的時(shí)鐘頻率 。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 （ 3） 工作方式靈活： SA4828 具有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平輸出，可以用來驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件。將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電轉(zhuǎn)變成直流電，采用二極管三相不可控整流橋。圖 風(fēng)速給定，圖 為風(fēng)能利用系數(shù) pC ，圖 為永磁電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩，圖 為永磁發(fā)電機(jī)的輸出功率。 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常包含變速發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和變槳距機(jī)構(gòu)，這些組成部分來實(shí)現(xiàn)變速恒頻。 由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不是全部都能被風(fēng)輪吸收利用，因此可以定義一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù) pC ： wmp PPC ?? 輸入風(fēng)輪面內(nèi)的功率風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率 （ ） 所以風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率 為 ： pwp CvRPCP 3221 ???? （ ） 式中 ： R——葉片的半徑 。永磁電機(jī)與電勵(lì)磁的電機(jī)相比通 常有更高的效率和更緊湊。 （ 2） 變槳距調(diào)節(jié) 由于葉片失速是一個(gè)復(fù)雜的氣動(dòng)過程，對(duì)于不穩(wěn)定的風(fēng)況，很難精確計(jì)算出失速效果，所以