《直驱型风力发电系统中机侧变流器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直驱型风力发电系统中机侧变流器.docx（32页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、直驱型风力发电系统中机侧变流器摘要由于无齿轮传动装置，具有高的能源转化效率和高的运行稳定性，使得其在风电领域得到了广泛应用。变频调速装置是风力发电机组中不可或缺的能源转换装置，其性能的优劣将直接关系到风力发电机组的成败。因此，开展高效变频调速技术的研究具有十分重要的意义。永磁直驱风电系统中的变换装置主要分为两种，一种是机侧变换装置，另一种是网侧变换装置。其中，机侧变换装置的控制目的是为了调整发电机输出的电磁转矩，从而能够对电机的速度进行迅速调整，从而确保风电机组能够按照实时的风况来进行最大的功率追踪。电网中的逆变电源，其主要目的是实现电网中的交变电源电压与电流的同步，降低电网中的谐波分量。采用
2、变频调速方式，采用变频调速方式，实现了对电机电磁转矩的直接调控，具有结构简单、动态响应快等优点，满足了风电机组对电机速度的快速调控需求。通过对DTC的理论和实验研究，证明DTC具有良好的动态特性，但也有一些缺点，如磁链波动大，转矩波动大等。针对该问题，本项目拟开展一种新的SVM-DTC控制算法研究，该算法通过电机转矩偏移来预估电机磁场的可变角度，并利用空间向量调制(SVM)来获取所需的电压向量，从而解决传统DTC控制算法由于仅使用一个给定的、有限的电压向量而引起的脉动磁锁转矩。通过对SVM-DTC系统的模拟与试验，验证了该系统能够很好地抑制系统中的磁场波动及转矩波动，达到了系统的设计要求。关键
3、词：风力发电；数学模型；永磁同步发电第一章绪论1.1 研究背景伴随着经济的快速发展，以及社会的不断发展，人们对能源的需求也在不断地增加，然而，由于常规的矿物资源储备十分有限，并且由于矿物资源的过度开发利用，导致了非常严重的环境污染问题。要想为人类社会的发展提供强大的能量保证和美丽的生态环境，就一定要在可持续发展战略的指导下，将可再生新能源的开发与利用作为重点。当前，人们使用最多的是太阳能、风能和核电等新能源，风能由于它无处不在、全天候可利用、可就地取材、储量无限等优势，所以，以风能为主导的风能利用方式，得到了全球范围内的高度关注，并得到了大规模的使用。伴随着现代科技的不断发展，特别是电力电子技
4、术的快速发展，使得风机的额定容量不断增加，而且可靠性也不断提高，近十几年来，全球的风机行业规模呈几何倍数增长，现在已经成为继水电之后的第二大清洁可再生能源。当前风电机组主要分为两种形式：双馈式感应式风电机组和永磁直驱式风电机组，后者具有低噪声、高效率、高可靠性等优点，在风电机组中有着广泛的应用mO针对PMSM,电网与机端变换器的设计与运行方式直接关系到风电系统的运行效率与稳定性。风电机组功率日益增大，对变频调速技术提出了更高的要求。1.2 国内外风电产业发展及现状1.2.1 国外风电产业发展及现状利用风电来发电的想法是从1890年开始在丹麦提出的，到1918年，丹麦已经有了120座风电机组，但
5、在此后很久，受技术水平所限，风电的发展一直很慢。在技术进步的推动下，风电机组的生产费用逐步降低，技术日趋完善，在70年代，由于全球性的原油短缺，许多国家都急需发展风电这样的新能源，从而降低对原油的依赖性，风电行业进入了一个繁荣的发展阶段。随着丹麦在21世纪初建成了全球首座近海风电厂，并带动了我国近海风电行业的快速发展，推动了我国近海风电发展。为了实现2050年的零碳，欧洲、美洲、亚洲等地区的风能工业得到了很大的发展，尤其是欧洲地区，风能所占比例远远高于全球，因此，风能工业已经相当成熟。中国是一个新兴的国家，在2010年底，风力发电总装机总量跃居世界首位。根据数据显示，截止到2020年末，世界上
6、最大的风电累计装机容量己经超过了517GW,大约是世界上最大的70%。图1.1显示的是世界上最大的风电累计装机容量，可以看出，世界上的风力发电行业发展非常不平衡，未来的发展空间非常大。近十年来全球的风电累计装机容量一直处于高速增长阶段，图1.2为2009至2020年间全球历年风电累计装机容量增长图，预计很长一段时间内仍能保持这种高增速。据统计，2021年全球风力发电所需平均成本大概为53美元/兆瓦时，远低于传统化石能源的和光伏、核能等新能源的发电成本，具备很强竞争力。图1.22009至2020全球风电累计装机容量风电行业的快速发展，也造就了一大群风电公司，彭博新能源金融综合考虑了陆地风电与海洋
7、风电的风电整机厂商的装机容量，并公布了2020年全球风电整机制造商市场份额排名，资料表明，在前十位中，GE、Vestas西门子等传统风电公司占据了很大的比重，而中国风电公司也在快速发展，目前已经有7个中国公司跻身前十，中车风电、三一重能等也是第一个跻身前十。1.2.2 国内风电产业发展及现状我国拥有漫长的海岸线和广袤的土地，拥有丰富的海洋和陆地风力资源，东海是海洋风力资源的集中地，华东、华北、西北是海洋风力资源的集中地。直到20世纪80年代，我国才正式进入了风力发电领域，但是，在那个时候，我国的风力发电技术的研究非常滞后，风力发电产业的发展非常缓慢，仅能建设一些小型的风力发电工厂，很难满足人们
8、的电力需求。在90年代，随着国家863高科技项目的落地，以及双加工程、乘风计划等鼓励措施和优惠政策的出台，我国的风力发电产业才走上了正轨。21世纪以来，随着可再生能源法和一系列政策的出台，一批优秀的风能公司应运而生，我国风能行业的发展速度也在不断加快，我国风能行业的发展速度也在不断加快。图1.32010-2020年中国风电累计装机容量虽然我国的风力发电起步比较晚，但是在发展上已经大大超越了其它的风力发电大国，并且在发展上也己经超越了其它的风力发电大国，在2010年已经超越美国，成为全球最大的风力发电大国。中国以55.91%的比例位居世界首位，美国以18.19%的比例位居世界第二，显示出中国在世
9、界风力发电及环境保护方面的重要作用。中国不但在风力发电领域迎头赶上，而且在风力发电领域的技术水平也在不断地向全球风力发电大国靠拢。在2019年，东方电力公司研发出了中国第一台10MW的大型永磁直驱风力发电机，这代表着中国已经跨入了IoMW的行列，也代表着中国已经成为了世界上最强大的国家之一。但是，当前，与风力发电设计相关的许多核心技术仍然掌握在外国公司手中，因此，在机组的工作效率、风机的可靠性以及使用寿命等方面，仍然与一些风机大国相去甚远，一些重要的零件仍然需要从国外进口，这些都成为了限制我国风力发电行业发展的一个重要原因。因为风力发电技术属于一种具有多个设计领域的综合性技术，因此，要想让我们
10、的风力发电技术达到国际领先水平，我们就必须不断地增加我们的研究和开发的资金，不断地减少我们与国际上的领先水平，这也是我们今后一段时间内，我们要做的工作。1.3 机侧变流器控制技术研究现状直驱风电机组在运行时，因其运行速度的随机变化，造成机组速度不稳，并产生幅度和相位不规则的三相交流电流，而机端换流器的功能是将不规则三相交流电流转换成稳态的直流电流。在电力系统中，电机侧变换器所采用的最多的方法就是向量控制和直接转矩控制。1.3.1 矢量控制技术基本矢量控制机侧换流器矢量控制是一种使用时间比较长，也比较成熟的一种控制方法。在图1.4中，机侧换流器矢量控制的控制框图被构建在dq轴旋转坐标系上，使用了
11、直轴指定电流id*=0的方式，从而排除了直轴电枢反应，利用对dq轴电流的控制来调整电磁转矩，具有很高的运行效率。该方法存在以下不足：一是需要进行许多座标转换，计算量较大；另一方面，由于采用三重比例积分控制，导致了系统的抗干扰性和动态性较差。图1.4机侧变流器矢量控制控制框图改进的矢量控制在矢量控制中引入了自抗扰控制技术，可以有效地减少超调量，提高抗干扰能力，可以用于高性能的电机控制。然而，自抗扰控制的计算量太大，参数调节比较繁琐，还需要对其进行进一步的改进。通过对滑动模态观测器的研究，提出一种基于滑动模态观测器的复合控制器，实现对电机转速、转矩的快速、高精度估计，并通过试验验证了该控制器的鲁棒
12、性、鲁棒性以及快速性，但仍存在较大的抖动问题。为克服过度抖动，本项目拟采用滑模逼近法实现符号函数光滑化，并通过构造非线性扩展状态观测器，实现对外界扰动的有效抑制，但仍需进一步改善其控制性能。1.3.2 直接转矩控制技术基本直接转矩控制DTC是德国鲁尔大学M.Depenbrok与日本Takahashi在80年代首次将DTC应用于感应电动机的研究中。在1998年，由我国南京航科大学的胡育文院士首次提出了用于PMSM的DTCo直接转矩控制因其控制方式直接、动态响应快速等优势，己在PMSM控制领域展现出了良好的应用前景，并已拓展至PMSM控制领域叫图1.5是电机侧变频器的DTC控制方框图，与传统的矢量
13、控制相比，DTC是一种无需经过多个空间坐标转换就能实现对电动转矩的实时调整，且具有结构简单，响应速度快的特点，因此DTC技术在永磁直驱风电机组中得到了广泛的应用。由于采用了单次Pl调整方式，因此，本方法计算量较少。然而，DTC系统仍有如下缺点：第一，DTC系统中，DTC系统主要为bang-bang型的控制方式，其开关频率非恒定，使得DTC系统的转矩变化很大。二是在风电机组转速较低的情况下，由于DTC使用了一个纯粹的积分器来观察电机的磁通，将产生一个“积分”的“饱和”，从而使得DTC在转速较低的情况下测量到的磁通有很大的偏差。为此，有必要对现有的DTC技术进行一些改造，并提出了一些新的改造方案。
14、图1.5机侧变流器直接转矩控制控制框图编码器开关表转矩和磁链计算改进的直接转矩控制基于建立的非线性DTC模型，通过对电机转矩波动中各谐波分量的研究，实现了对电机转矩波动中二次及六次谐波分量的抑制。本项目以永磁同步发电机Vienna整流DTC为基础，提出一种新颖的切换向量查表，可在保证系统输出电流均匀性的前提下，实现转矩磁通的同步调控，可显著降低系统输出电流的波动，但其对切换向量查表的依赖性较强，使系统的工作范围受限。提出了一种基于滑模观测器的永磁同步发电机DTC预报算法，它利用滑模观测器观测到的等效反电势,同时利用静子电流进行预报，避免了复杂的座标转换过程，可有效地压制波动，但由于滑模观测器容
15、易受到噪音的影响，造成预报结果的抖动。1.4 研究内容本论文重点对永磁直驱风电系统中的电机侧变换器的直接转矩控制技术以及网络侧变换器的直接转矩控制技术进行了深入的研究，其具体的工作内容包括：第一章主要是对本论文选题的背景、意义、世界风力发电行业的发展历程和目前的发展状况进行了综述。本文介绍了一种新型的电机调速方法，并给出了该方法的基本原理。第二章介绍了PMSM在各种参考系统中的建模方法；建立电机端变流器及直流链路的数学模型，建立电机端变流器及直流链路的数学模型，为电机端变流器的控制策略提供理论依据。第三章是对基于DTC的飞机上变频调速系统的直接转矩控制进行了深入的探讨，并对基于DTC的飞机上变
16、频调速系统进行了详细的介绍。为解决基础DTC系统中铁心、转矩不稳定的问题，本项目拟开展定子磁链预测的SVM-DTC系统设计，利用铁心与转矩之间的差异，根据铁心与铁心之间的力矩偏移来预估铁心铁心的改变角度，并利用空间向量调制(SVM)来获取所需的电压向量，从而达到准确地调整铁心电机的转矩与磁心，从而解决基础DTCs系统中由于仅使用一个特定的、有限的电压向量所引起的铁心、铁心等脉动问题。第四章主要对以YXSPACE为中心的南京研旭电器股份有限公司的试验平台进行了总体设计，并对其各个部件的功能进行了阐述，着重对功率电子变换器的硬件线路进行了说明，并通过与研旭电器股份有限公司的硬件在环模拟控制器进行了
17、对接，从而实现了对电源侧变换器的控制算法的模拟。第五章是本文的结论和未来的发展方向。第二章永磁直驱风力发电系统的数学模型2.1 引言永磁直驱风电系统是一种集机械、电、磁和空气动力学于一体的复杂系统，其控制策略的研究需要借助数学模型这一强大工具来进行“】。在这一章中，我们首先对永磁直驱风电系统中的各部件进行了建模，然后对其进行了详细的分析。2.2 永磁直驱风力发电系统的结构采用背靠背双PWM的永磁直驱风力发电系统总体结构如图2.1所示。网侧变流器机侧变流器变流控制系统偏航控制系统风力机幸稚中I断路器J；变压器并网控制系统系统机组主控制系统永磁直驱风力发电系统总体结构(1)风机：使用可变螺距模式，
18、也就是风机螺距角度根据风速的不同而不同，从而将风机的螺距转换成最有效的机械能，从而增加了风机的工作效率。(2)耦合器：将风力发电机组与PMSG进行机械能传递的耦合器。(3) PMSG(PulseSynchronousGenerator,PMSG)：把风电机组所发出的机械能转化成电力。(4)逆变器：因为风力具有随机性，所以产生的电流为振幅及频率没有规律的交流电流，不能直接接入电网，必须通过AC/DC逆变器及DC/AC逆变器进行转换，才能获得满足电网品质的交流电流。在离发电机较近的那一端，是一台具有AC/DC整流作用的机器侧换流器，它还可以通过调节发电机的机械力矩，来调节风扇的速度，从而达到最大的
19、输出功率；在电网的一端设置了一台可以起到DC/AC逆变作用而使DC端电压稳定的网侧换流器。(5)螺旋桨调整系统：通过调整螺旋桨叶片的螺距角度，来调整风力发电机的空气动力性能，从而改善发电机的动力性能，并保证发电机的安全性。(6)侧摆操纵装置：该装置通过调节风扇方向，保持风电机组在逆风工况下工作，从而增加风电机组的运行效果。(7)单元主控系统：为了实现高效发电和接入电网，对风电机组各控制部件进行了优化配置。图2.1中，该电机的工作原理是：在随机风的激励下，电机的叶片旋转，把风能转换成机械能。由于风力发电机与永磁同步发电机没有传动装置，所以风力发电机可以直接驱动永磁同步发电机转动，从而使得永磁同步
20、发电机发出的交流电流在其频率和幅度上随着风力的改变而改变，从而把机械能转换成电能；然后，将不均匀的AC电流输入到机器侧变流器中，经过过滤电容器过滤，得到一个平稳的DC电流，从而完成AC/DC转换；在此基础上，通过对输入的DC电流进行逆向转换，使其达到满足并网品质的AC电流，从而完成DC/AC转换，最终将其接入到电网中。2.3永磁同步发电机的数学模型在图2中给出了PMSM的内部构造模型。其中，定子为A、B、C三相绕组，转子为永磁铁，永磁转子磁通密度高，而且不需要励磁电流，也不会有励磁损耗，可以提高电网的功率因子。PMSG按其转子构型可分为两种，一种是显极，另一种是隐极。2.3.1 坐标变换为了简
21、化PMSG的数学模型，在对PMSG进行分析前，作了以下假设：永磁同步发电机三相定子绕组呈对称式分配；不计磁路饱和，不计涡流，不计滞后损失；发电机的感生电压表现出一种“正弦”特征。针对PMSM具有强非线性、强耦合的特点，采用座标转换的方式，可使其转矩磁通解耦，改善其动静态控制性能。四种常见的同步器的参考系统为：ABC三相静态座标系统：座标是以三相线圈的三相转轴ABC为座标；a两阶段固定座标系统：为了便于转换，三阶段固定座标系统的a轴与二阶段固定座标系统的a轴一致，且其a轴比a轴高90度；双轴转动座标：以转子的磁场方向为导向；X一Y转动座标：与定子磁通方向一致。基于以上假定，我们可以对PMSG风电
22、机组进行多个参照系的建模，并对其进行合理的参数选取，从而减少了计算的复杂度。四个座标系统的空间分配见附图2.4O图中，d轴以转子磁链方向进行定向，X轴以定子磁链方向进行定向，q为d轴与a轴的夹角，6为X轴与d轴的夹角，且将5定义为负载角，为转子转速。永磁同步发电机数学建模中常用的两种坐标变换分别是：(1)三相静止坐标系向两相静止坐标系的变换abc坐标系向a坐标系的变换可用3s2s表示,11C3273s,2s33()1.2;以电流变换为例，abc轴上电流分量变换为a坐标变换矩阵表达式为：-I(2.1)轴上电流分量的计算公式为：ri工1.222:V333:Oz1.221.式中，ia、ib是定子电流
23、在两相静止坐标系上%abC(2.2)轴的分量，ia、ib、ic是定子电流在三相静止坐标系上a、b、C轴的分量。(2)两相静止坐标系向两相旋转坐标系的变换a、P坐标系向dq坐标系的变换称可用2s2r表示，坐标变换矩阵表达式：cosSineQ2s/2r-sin。cos。l(2.3)以电流变换为例，a、P轴上电流分量变换为dq轴上电流分量的计算公式为:dCoSeSineiaJqJ-sin。CoSemj(2.4)式中，id、iq分别为定子电流在d、q轴上的电流分量。2.3.2 不同坐标系下PMSG的数学模型根据坐标变换方程可以建立不同坐标系下的PMSG数学模型:(l)abc坐标系下的数学模型在abc三
24、相坐标系下，定子电压的表达式为:WaIab=RS4+P叫wcicWC(2.5)式中，ua、ub、UC分别是定子三相电压在a、b、C轴上的分量；RS为定子电阻；p=ddt,是微分算子；以、-b、-C分别是定子磁链在2、b、c轴上的分量。在abc三相坐标系下，定子磁链的表达式为:在abc三相坐标系下，定子磁链的表达式为:“J-1.aMabacVfa-b4+MCb1.-(2.6)式中，1.a、1.b、1.C分别是定子三相绕组的自感，且1.a=1.b=1.c=1.s;MabMbaMac、MCa、Mbc、MCb为定子三相绕组的互感；8小、WrfC分别是三相绕组匝链的转子磁链。由于转子磁链在气隙中呈正弦分
25、布，则以a相绕组为基准，三相绕组匝链的转子磁链表达式如下：m=rCOSe出fb=%cos(e-23)虬=KCoS(6+2%/3)式中，yf为永磁体磁链，为电机以a相绕组轴线为基准转子旋转的位置角。将式(2.6)和(2.7)带入式(2.5)可得PMSG在abc坐标系下的电压电流方程:X-34+P1.Ss2036+51.S0工一cos。wb=00ib-ftcos(9-2刀/3)A_00Rs+-P1.S2SJc_cos+沏/3)(2.8)(2)a、坐标系下的数学模型将式(2.8)结合式(2.5)的3s2s变换表达式可得PMSG在a、坐标系下的数学模型：%J+p1.cOj1.0K+p4J1.李氏一Si
26、neCOSe式中，WaU分别为定子电压在a、轴上的分量；1.a、1.分别为定子电感在a、P轴上的分量；侬为转子电角速度。定子电压和定子磁链的关系式为:uRi+小人(2.10)式中，US为定子电压，is为定子电流，RS为定子电阻，-S为定子磁链。由式(2.10)可得定子磁链在a、。轴上的分量，a、S:Wa=Jg-RAWec分别代表PMSG的三相感应电势，ia、ib、ic为三相线电流，T1T6为IGBT的六个开关，idc为母线电流，UdC为直流母线电压。为便于分析，我们做以下假定：滤波器的电感线具有不饱和特性；无切换损失，无切换延迟，切换状态为最佳;根据T1T6的开关状态，定义桥臂逻辑开关函数为S
27、k,其值定义如下：e0上桥臂关断，下桥臂导通/,u、t=U上桥臂导通，下桥臂关断(=，(219)根据基尔霍夫电压定律可知：WaN-UawNOWbN=UbNOcNUc“NO(2.20)式中，UaN、UbN、UCN分别表示a、bC三点到N点的电压降；ua、ubuc分别表示a、b、C三点到O点的电压降；UNO表示N点到O点的电压降。将式(2.22)代入式(2.23河得：%=SaUck+NOb=SbUtk+NOUc=SCUdC+N0由图2.5可得机侧变流器在abc三相静止坐标系上的电压方程为:u=e-Ri-1.aasas1dtdidtu=e-Ri1.-CCSCS.at&=idtdc(2.22)根据基尔
28、霍夫电压定律可知：C=1.=S/+Sh1.+SeiCdtdcaabbcc将式(2.22)和(2.23)代入式(2.2D可得:(2.23)fiMA(S4+限)4=Ri/1.幺+bSDSatJ=RR+1.冬+cscsdt(SbUdC+no(SCUdC+uN)dUC=Si+5hzh+5aabbc(at(2.24)因为系统是三相对称系统，有以下关系式：/+%+，=,a+zb+4=O可解得中性点电压为：(2.25)NOSa+Sb+ScU(2.26)将式(2.25)代入式(2.26河得:C=Si+Sh+Si,aabbccat(2.27)将式(2.27)经过3s2s坐标变换方程后可得a、B两相静止坐标系上的
29、数学模型:die=Ri+1.之+SUaasasjxaded1.屋C=RiC+1.-+S.UdtS/a+SBZp(2.28)式中，ea、e表示定子绕组感应电势在a、轴上的分量；Sa、SP表示Sk在轴上分量。第三章机侧变流器直接转矩控制技术研究3.1 引言PWM变换器将电机输出的时变幅度、频变的交流电能转化为不变幅度、不变幅度、不变幅度的直流电能供给电网。机侧换能器的主要功能是调整PMSM输出的电磁转矩，从而迅速调整电机的速度，确保风电机组能够按照实际的风场条件，达到最大的功率追踪；此外，机侧变换器还需要对PMSM的损耗、利用率和响应速度等性能指标进行最优控制，从而提升整体风电系统的性能U1.在现
30、有的电力系统中，采用了两种主要的控制方式：向量控制和直接转矩控制。与直流电动机的控制策略相类似，在转子磁场方向上，通过将定子电流分为激励和转矩，从而达到相互解耦合、相互独立的目的。由于采用了较为繁琐的转动坐标转换方法，并且在实际工作中，定子-转子间的物性参数会发生剧烈的波动，很难精确地观察和定位磁场，严重制约了其在风电领域的开发与应用。直接转矩控制是利用对电压矢量的选取，也就是对变流器的开关状态进行直接控制，这种方法的控制思路非常明确，它仅需要对电机在定子坐标系下的数学模型进行分析，就可以避免进行繁复的旋转坐标转换，仅用一个物理参数：定子电阻就可以计算出电机磁链和转矩，其受到电机参数的改变的影
31、响很小，并且电机转矩的动态响应速度非常快，这与风力发电机可以通过调整转矩来快速调整电机转速的要求相吻合。这一章主要是关于永磁直驱风力发电系统机侧变流器的直接转矩控制技术展开的。在对基本直接转矩控制技术展开研究的基础上，引入了一种以定子磁链预测为依据的空间矢量调制直接转矩控制技术，从而对基本直接转矩控制中存在的转矩和磁链脉动问题进行了改进，从而提升了机侧变流器的控制性能。3.2 机侧变流器基本直接转矩控制技术3.2.1 基本直接转矩控制基本原理为了分析什么物理量与PMSM的电磁力矩有直接的关系。图3.1是PMSM的定子磁通和转子磁通在不同的参考系中分布图，其中，分别用巾s、f表示定子磁通。针对永
32、磁同步发电机的电磁力矩同时受到定子电流d、q轴分量的共同影响，无法实现对id、iq两个分量的解耦，本项目拟在Xy轴坐标下建立永磁同步发电机模型，使永磁同步发电机的X轴正向与定子磁链ys方向一致，从而建立永磁同步发电机模型。图3.1不同坐标系分布图图3.1中，。为d轴与a轴的夹角，8为X轴与d轴的夹角，且将6定义为负载角，为转子转速。定子电流和定子磁链在de坐标系和Xy坐标系上的转化关系式为：icosSin51zy-sin5COSbJid(3.1)*cos5Sinby-sin(3.2)可求得定子磁链巾S在Xy坐标系上的分量为：1.dcos2b+1.qsin2-1.dSinbCOSS+1.qSin
33、bCoSb-1.dsincosS+1.ijsinbcos1.dsin2+Zljcos2CoSbSinS(3.3)由于定子磁链方向与X轴方向一致，则存在：yy=0,yx=ys,将其代入式(3.3)可得关于ix、iy的方程为：._2%sin-(4+4)+(1.d-1.q)COS2现=-2%1.qsinJTMl(1.q-1.d)sin2(3.4)由图3.1可以得到定子磁链在dq轴分量和转矩角的关系式:将式(3.5)代入得Vd二帆ICOSb八二MJsinK(3.5)帆卜也31.d(3.6)将式(3.6)代入式(2.19)可得Xy坐标系中的电磁转矩方程:(3.7)TC=：；叫2必1.qsin帆J(1.q
34、-1.JSin24其中：Te表示扭矩，np表示磁极，1.S表示定子电感，分别表示定子磁通的振幅和转子磁通的振幅。从上述(3.7)公式中可知，PMSM的电磁转矩包括dq轴磁路中的磁阻转矩成分和交叉轴线中的电枢感应中的激励转矩成分。由于本论文所述的永磁体直驱风力机使用了隐极，所以它的特征为1.s=1.d=1.q,把它代入公式(3.7),就可以得出一个简单的公式：3n,111(=/以|巴卜ES1.1.S(3.8)因为转子磁通的旋转速度与原动机的旋转速度有关，所以在一个控制循环中，可以假定IyfI是不变的，从公式(3.8)中可以知道，如果是常数，就可以通过改变定、转子磁通的夹角d来调整电磁转矩45。因
35、为转子磁链Iyfl的旋转速率是由原机旋转速率所确定的，并且变化很慢，而定子磁链ys的旋转速率是由电压向量所确定的，并且变化比较快，所以可以通过调节定子磁链来调整do其中，定子磁场向量与电压向量之间的关系是：%=ARs+鬻(3.9)忽略定子电阻的影响，由式(3.9)可得：s=usdtJ(3-10)从式（3.10）可以看出，可以通过选择合适的电压矢量来实现定子磁通的快速调节，其中所需要的电压矢量是由变流器不同的开关状态决定的，可以通过选择合适的开关电压矢量来控制定子磁通和转子磁通的夹角d,从而实现电磁转矩的快速控制。3.2.2永磁直驱风力发电机机侧变流器基本直接转矩控制的实现永磁直驱风电机组侧变换
36、器基础DTC控制采用滞环控制，采用查表模式，选取适当的电压向量，对电机的磁链、转矩进行直接控制。在图3.2中，给出了一种用于永磁直驱风力机的直流变频调速系统的控制方框图。MPPT速度传感器电压矢量选择表图3.2机侧变流器直接转矩控制原理框图永磁直驱风力发电系统机侧直接转矩控制的控制流程是这样的：先让风扇叶片旋转，然后用联轴器来驱动发电机转子转动，然后用传感器来测量发电机端的电流和电压，并使用坐标变换来获得两相静止a.座标系的电压和电流分量，然后将其送入磁链和转矩计算模块，从而获得电磁转矩和定子磁链。通过Pl调整获得最大功率追踪所需要的速度n*与测量的速度n之间的差异，获得力矩指定值TeS并将所
37、得力矩Te*与已知力矩Te*及磁链值ys*进行对比,将所得的误差输入至滞环比较器,获得对应的控制信号,然后根据扇区信号选取适当的驱动脉冲,对PWM切换管导通、断开，使力矩及磁链幅度在所要求的数值范围内在图3.2中，利用座标转换，从三相的定子电流及定子电压中获得在a轴线上的电流及电压成分：(3.11)(3.在磁链与转矩的计算模块中，需要求出定子磁链幅值和定子磁链的位置角，根据式(3.9),通过反电动势求积分运算得到a轴上的定子磁链分量:(3.13)定子磁链的幅值计算公式：归|二胆；+疗Y(3.14)定子磁链的位置角计算公式：=arctan(一)Wa(3.15)电磁转矩的计算公式为：32(3.16
38、)上述基于电压矢量选择的直接转矩控制称为基本直接转矩控制。下面对机侧变流器的基本直接转矩控制进行仿真分析。第四章永磁直驱风力发电系统变流器实验平台4.1引言在此基础上，利用南京研旭电机股份有限公司YXSPACE硬件在环模拟控制技术，搭建了一套新型的PMSM转换器试验平台，并通过试验来检验项目的成果。基于DSPF28335的高性能快速样机，以及背靠背式功率电子器件、电网侧变换器台及永磁直驱机单元等构成了研旭公司硬件在环模拟控制系统。在进行试验的时候，设计的过程可以分成三个步骤：首先是用计算机进行离线仿真，然后是用电力电子平台的半实地仿真，最后是在实际系统平台上对其进行验证。首先，使用计算机对控制
39、算法的Matlab仿真模型展开离线仿真，在经过了仿真之后，构建可以与电力电子平台硬件接口相对应的核心控制算法半实地仿真模型，将该模型通过接口下载到YXSPACE快速原型控制器中，产生控制信号，同时控制机侧和网侧电力电子变流器，由变流器控制永磁同步发电机发出并网电能。4.2 实验平台硬件部分4.2.1 硬件控制整体结构风力发电系统试验平台的硬件部分，主要包括：以DSPF28335为核心的硬件仿真控制器、异步电动机、永磁同步发电机、PC机、电力电子平台。在图4.1中给出了该试验台的结构方块图。试验台的基本工作机理：利用变频调速技术，使感应电机转动达到仿真风力发电机组的目的，再利用变频调速技术，使感
40、应电机转动达到仿真风力发电机组的目的。该系统为直接驱动型，通过感应电机的回转驱动PMSM,实现了仿生风电叶片的回转驱动PMSM进行自转发电。在计算机中建立起了控制算法Matlab的仿真模型，并且将其与硬件在环控制器的端口进行了一一对应,这样就可以将Matlab的仿真模型准确地下载到硬件在环控制器中。半实地仿真控制器拥有ADC接口、DAC接口、DIDo接口、仿真接口、通信接口和电源接口，将各接口与电力电子变流器进行正确地连接,然后由半实地仿真控制器生成C语言程序,在执行之后，会产生驱动信号并将其传递到变流器，并以控制目标为依据，向其发送适当的PWM驱动信号，从而实现对变流器的控制。在图4.2中给
41、出了试验台。（八）异步电动机和永磁同步发电机(b)变频器(c)PC机和半实物仿真控制器(d)电力电子平台图4.2实验平台本文介绍了一种新型的无刷直流电机控制技术，并对该技术在实际应用中的应用进行了探讨。主电源：由机侧换流器、网侧换流器组成，全部采用三相全桥式PWM控制，起到整流、逆变两种功能，产生满足并网品质要求的交流电流，送至主电网。控制核心部分:利用DSPF28335单片机,对输入到系统中的数据进行处理，最后以PWM信号作为驱动程序的输出。外部控制电路：由隔离电路，驱动电路及其它模组组成。其中，隔离电路主要用于对PWMIPWM6脉冲信号进行隔离、成形；驱动电路对PWM脉宽调制信号进行放大，
42、避免了脉宽太小时无法驱动电源管。辅助供电电路:其功能是向每个电路模块供给各种电压,包括5伏,+15伏,15伏。图4.3风力发电系统硬件系统框图风电设备的主要技术指标如下：主机：TMS320F2833532bitDSP主机备用电力：220伏交流电压DC端口：DC最大值为700伏，De最大值为40AAC端口：最高400伏，最高30安培驱动电路：能驱动1200伏，300A的IGBT,并带有短路保护.高精密取样：16比特的ADC,检测器偏差小于0.2%一次环电路板化：一次环使用PCB进行设计，从而降低了布线的复杂度，同时还能增加了功率密度，缩小了尺寸。4.2.2 电力电子变流器硬件平台将系统划分为两种
43、类型，即机端和网端，两者均使用PWM电路，因而具有共同的硬件平台。这一部分选择了计算机端换流器的硬件平台构建来对其进行分析。主机端换能器的硬件平台包括三个主要内容：(1)集成式智能电源组件IPM智能电源模组使用三相全控桥，以全控制元件IGBT为中心，以PM50R1.1A120为控制元件,确保其在关闭状态下具有1.2倍的过负荷及安全余量。IPM智能电源模组由三个子模组组成：副功率组件在图4.4中，可以看到辅助电源模块的电路图，它的主要作用是将端口Jl接入电路的+24V电压，通过电磁干扰抑制电路，可以得到稳定的+24V电压输出。在图中，1.l为电磁干扰抑制电路，它对提升电压电流稳定性，减少电磁扰动，提升信息传输效率有帮助。变压器Tl用于把+24伏的电压转换成+15伏，从而给晶片供电。105SGND图4.4辅助电源模块电路图6D4JiCl5TloOUFMJtCIfTTloOUFr-IiCl7D6TlOOUF1+I5V4JGND4T+I5
