【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 微分算子符號(hào)。風(fēng)力機(jī)發(fā)電一般可以分為兩種控制方式，一種是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，另一種是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。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(mǎn)足的關(guān)系，要使頻率保持不變，則應(yīng)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變。因此需要改變風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率來(lái)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。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(guò)其它控制方式來(lái)得到恒定頻率的電能，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在的點(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[333]。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(lái)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(xiàn)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(guò)調(diào)節(jié)節(jié)距角來(lái)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。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。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(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻?；究刂撇呗裕旱陀陬~定風(fēng)速時(shí)，跟蹤曲線(xiàn)，以獲得最大能量；高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤曲線(xiàn)并保持輸出穩(wěn)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)。仿真中，采用PID控制算法，針對(duì)仿真中采用的葉尖速比、槳距角和風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系函數(shù)，采用查表計(jì)算出相應(yīng)的，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在仿真中風(fēng)速給定使通過(guò)以時(shí)間為輸入的一維查表環(huán)節(jié)來(lái)產(chǎn)生。 風(fēng)速模塊 ，風(fēng)速值輸入到模塊中，通過(guò)功率模塊計(jì)算出風(fēng)輪機(jī)的捕獲功率，捕獲的功率除以風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即可作為永磁發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩。 風(fēng)力機(jī)模塊節(jié)距角既可以通過(guò)功率反饋也可以通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋來(lái)確定，這里是通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋來(lái)確定的。在仿真中，功率系數(shù)是通過(guò)調(diào)節(jié)葉尖速比和節(jié)距角來(lái)進(jìn)行查表后得到的。本仿真采用的葉尖速比、通過(guò)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。在變槳距控制系統(tǒng)的仿真中所用的永磁電機(jī)模型采用Matlab/Simulink庫(kù)中Simpower子庫(kù)中的Permanent Magnet Synchronous Machine 模塊，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩為正時(shí)，此模塊為永磁電動(dòng)機(jī)；輸入轉(zhuǎn)矩為負(fù)時(shí)，此模塊為永磁發(fā)電機(jī)。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)。圖 葉尖速比、槳距角和風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系 ，該系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)模型，風(fēng)速模型，永磁發(fā)電機(jī)模型，以及將永磁發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電壓和頻率變化的電能轉(zhuǎn)化為恒壓恒頻的電能的交直交變流系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)通過(guò)PI調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定。為使逆變器輸出的高頻脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦波，采用了LC濾波器。圖 變槳距控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 （1）變槳距系統(tǒng)仿真在仿真中采用PID控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角及葉尖速比來(lái)進(jìn)行變槳距的控制。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。，。 永磁電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩 從仿真結(jié)果可以看出，在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)保持最佳，以使風(fēng)輪機(jī)捕獲最大的風(fēng)能。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。這就驗(yàn)證的控制策略的可行性。（2）。 負(fù)載突變 直流母線(xiàn)電壓 逆變器輸出電壓 PWM調(diào)制比 負(fù)載電壓 逆變器的輸出電壓隨著負(fù)載的突然變化，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制比，使輸出電壓達(dá)到恒壓恒頻的調(diào)節(jié)。通過(guò)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。 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。3逆變控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電為頻率和幅值都隨著風(fēng)速的變化而變化，為給用戶(hù)提供穩(wěn)定的電源，就必須進(jìn)行交直交變換，使發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為恒壓恒頻的用戶(hù)可用的電能[34~36]。 逆變控制器由微處理器和SPWM發(fā)生器組成。采用PIC16F877A單片機(jī)作為主控制器，SPWM波的產(chǎn)生選擇了專(zhuān)用集成芯片SA4828，輸出采樣選用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736。芯片的選擇使軟件非常簡(jiǎn)捷，微處理器只用很少的時(shí)間去控制它。硬件電路也大大簡(jiǎn)化，靈活性強(qiáng)、智能性強(qiáng)，同時(shí)生成的SPWM波形精度高，速度加快，相應(yīng)電源的可靠性大為提高。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(zhuān)用芯片SA4828IPM保護(hù)信號(hào)PIC單片機(jī)輸出顯示檢測(cè)：（1）單片機(jī)。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(guò)對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字濾波后，在經(jīng)過(guò)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(guò)顯示電路顯示出系統(tǒng)的最新運(yùn)行狀態(tài)。（2）整流電路。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。（3）濾波電路。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。（4）逆變電路。選用智能功率模塊IPM作為逆變器件，它將功率開(kāi)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。電路簡(jiǎn)捷，且驅(qū)動(dòng)可靠。另外IPM還具有過(guò)電壓，過(guò)電流，過(guò)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)。（5）專(zhuān)用PWM產(chǎn)生器SA4828和隔離電路。根據(jù)單片機(jī)提供的輸出PWM控制波形的信息，產(chǎn)生供給IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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。（6）檢測(cè)電路主要是通過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736檢測(cè)輸出的電壓值并傳回單片機(jī)。 SA4828簡(jiǎn)介 SA4828的功能特點(diǎn)SA4828專(zhuān)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(wú)溫漂，無(wú)時(shí)漂。其主要功能特點(diǎn)有以下幾方面[37]： （1）全數(shù)字化。SA4828與微處理器的連接適用兩種總線(xiàn)接日，編程簡(jiǎn)捷方便，全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。 （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。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(chēng)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(chēng)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(kāi)關(guān)保持60度的間隙，不但節(jié)省了33%的開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的可靠性。 （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(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。直接通過(guò)軟件設(shè)置載波頻率，電源頻率，波形選擇，最小脈寬，死區(qū)時(shí)間，初始電壓等參數(shù)，調(diào)節(jié)容易。在電路不變的情況卜，通過(guò)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。 SA4828芯片的工作原理SA4828是具有28腳的三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器芯片,采用全數(shù)字化方式，將基準(zhǔn)正弦波與一個(gè)載波三角波相比較，在三角波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)對(duì)正弦波進(jìn)行采樣來(lái)獲得PWM波。SA4828芯片不需增加外圍電路，只通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)就可直接與任意微處理器進(jìn)行通訊。其引腳MUX是用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的。若是復(fù)用總線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)，則需將MUX引腳接低電平。芯片由寄存器選擇引腳RS來(lái)區(qū)分是地址（RS=0）還是數(shù)據(jù)（RS=1）。當(dāng)SETTRIP輸入高電平時(shí)，立即封鎖PWM輸出,且使輸出關(guān)斷狀態(tài)信號(hào)TRIP為低電平。若不使用SETTRIP引腳，則應(yīng)將其接地，以防干擾。 SA4828芯片及其功能SA4828芯片是可編程的。通過(guò)6個(gè)臨時(shí)寄存器R0～R2個(gè)虛擬寄存器R1R15，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。 對(duì)SA4828的控制是通過(guò)微處理器接口將數(shù)據(jù)送入芯片和兩個(gè)寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，初始化寄存器用于設(shè)定輸出電源頻率范圍，輸出PWM波形的死區(qū)時(shí)間，最小取消脈沖時(shí)間等一些基本參數(shù)，并且在工作時(shí)是不允許改變。控制寄存器在工作過(guò)程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)該寄存器內(nèi)容常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[339]。：圖 PIC單片機(jī)和SA4828連接圖 SA4828PIC16F877AVSSVDDMUXRSRB0RE1RE0RD07AD07ALE SA4828初始化寄存器的參數(shù)設(shè)定 所示 SA4828初始化寄存器參數(shù)空間分配表76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0（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。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。載波頻率由下式給出： （）式中：——為輸入的時(shí)鐘頻率。（2）電源頻率范圍（FRS）通過(guò)這個(gè)參數(shù)可以選擇輸出電源頻率的范圍，因此可以提高SA4828芯片的頻率分辨率。電源頻率范圍確定了最大的電源頻率。電源頻率范圍由下式給出： （）（3）脈寬延時(shí)時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）（PDY）對(duì)于每一相PWM輸出均有兩路控制信號(hào)，分別控制逆變橋的高端和低端的功率開(kāi)關(guān)?？紤]到功率器件工作頻率限制和開(kāi)啟、關(guān)斷次數(shù)的不平衡，為了避免電流通過(guò)上下功率開(kāi)關(guān)管形成短路，所以在改變功率開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)時(shí)提供一段延時(shí)時(shí)間，此時(shí)上下開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。脈寬延時(shí)時(shí)間由下式給出： （）（4）脈沖取消時(shí)間（PDT）一個(gè)純PWM序列可以包括占空比從0%到100%的脈沖。然而過(guò)短的脈沖只會(huì)增加逆變器開(kāi)關(guān)管自身的開(kāi)關(guān)損耗。因此需定義一個(gè)最小的脈沖寬度。在PWM序列中，所有脈沖寬度比取消時(shí)間小的脈沖被去除。脈沖取消時(shí)間由下式給出： （）（5）波形的選擇SA4828芯片內(nèi)提供3種可選標(biāo)準(zhǔn)波形。單純正弦波用于只注重波的應(yīng)用場(chǎng)合，例如開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源和其它波形發(fā)生器。（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。三相波形幅值可以統(tǒng)一控制或分別控制。（7）看門(mén)狗定時(shí)器（WD）看門(mén)狗定時(shí)器包括一個(gè)按照時(shí)鐘頻率的約數(shù)衰減的16位可編程計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器減少到終點(diǎn)值時(shí)，PWM輸出被關(guān)斷。定時(shí)時(shí)間由下式給出： （）利用看門(mén)狗可提高系統(tǒng)的可靠性。SA4828控制寄存器如表 所示 SA4828控制寄存器參數(shù)空間分配表76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTECRINHF/BR3RAM7RAM6RAM5RAM4RAM3RAM2RAM1RAM0R4BAM7BAM6BAM5BAM4BAM3BAM2BAM1BAM0R5YAM7YAM6YAM5YAM4YAM3YAM2YAM1YAM0 （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(lái)選擇。整個(gè)電源頻率范圍被劃分為65536等份。電源頻率由下式給出： （）（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。幅值的百分比計(jì)算公式如下： （）在控制系統(tǒng)運(yùn)行中，A的值要經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整、計(jì)算不斷地改寫(xiě)[39~40]。（1）時(shí)鐘的確定。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。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。 所示其中1腳為禁止端（工作時(shí)可懸空或接電源）、2腳接地、3腳為有源晶振的輸出、～5V的電源。VCC