（电力电子与电力传动专业论文）风力发电模拟系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fw i n dg e n e r a t i o ne m u l a t i o ns y s t e m a b s t 队c t a l o n gw i t hi n t e r n a t i o n a le n e r g yb e i n ga n x i o u sd a yb yd a y ，ar e n e w a b l ea n d c l e a ne n e r g yw i n dp o w e r sd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o ng e t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s a tp r e s e n t t h ec o s to ft h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ni n s t a l li sh i g h e rt h a n t h e r m o e l e c t r i c i t yp o w e rg e n e r a t i o n s ot h es t u d yo ft h i sn e wp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mh a st os p e e du pa sr e q u i r e d h o w e v e r ，p r o v i d i n g ag o o dh a r d w a r e e n v i r o n m e n tf o rt h es t u d yo fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n , w i n ds i m u l a t eu n d e rt h e l a b o r a t o r yc o n d i t i o n si s c o n s i d e r a b l e s i m u l a t es y s t e m ，m a i n l yu s ed cm o t o r s ， s y n c h r o n o u sm o t o r so ri n d u c t i o nm o t o rs i m u l a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , w eu s e s q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm a c h i n et oe m u l a t ew i n dt u r b i n e s q u i r r e l - c a g ei n d u c t i o nm a c h i n e sa r es i m p l ea n dm g g e di ns t r u c t u r e ，l o wc o s t a n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，c o n s i d e r e dt ob e i n ga ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nm o d e ma cd r i v e s y s t e m t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t so n i s c ( i n d i r e c ts t a t o r q u a n t i t yc o n t r 0 1 ) t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e si nw i n ds i m u l a t i o n i ti st r u et h a tc o m p a r e s 、) l ，i t l lt h ev e c t o rc o n t r o l ，i n d i r e c ts t a t o r - q u a n t i t yc o n t r o l p e r f o r m a n c ei sn o tb e t t e r h o w e v e ri n d i r e c ts t a t o r - q u a n t i t yc o n t r o ln e e d n tc o m p l e x c a l c u l a t ef o rr o t a t i o nv e c t o r c o m p a r e s 嘶t l lt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，i n d i r e c t s t a t o r - q u a n t i t yc o n t r o lc a no p e r a t ea taf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y ，s m a l lt o r q u er i p p l e ， c i r c u l a rm a g n e t i cc h a i n ，s i m i l a rt ol o w 晰1 1 ds p e e da n dl a r g ew i n dt u r b i n et o r q u e a l s of o rt o r q u ee s t i m a t ee x a c t l y , t h i sa r t i c l em a k e su s eo ft h eh a r d w a r eo fm o t o r c o n t r o lc i r c u i tt oc o m p l e t em o t o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，w h i c ho f f e ra c c u r a t e p a r a m e t e r sf o rc o n t r o ls y s t e m f i r s t l yt h i sa r t i c l ed e s i g na n ds i m u l a t et h ea n a l o gw i n dc u r v e ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o na n di n d i r e c t s t a t o r - q u a n t i t yc o n t r o l i np s i mp l a t f o r ms o f t w a r e s i m u l a t i o nv e r i f i e st h ef e a s i b l eo ft h ed e s i g np r o g r a m t h e nt h i sp a p e rd e s i g na h a r d w a r ec o n t r o l s y s t e m b a s e do nd s p i c 3 0 f 3 011 ，s e l e c tac o m p r e h e n s i v e t h r e e p h a s eb r i d g e c i r c u i tb o a r dw h i c hu s e si p ma n di n t e r f a c ec i r c u i tb o a r d f o u n d a t i o no ft h ee m u l a t i o np r o g r a m o nt h ec o m p l e t i o no ft h es o f t w a r es e c t i o n ，t h e 山东大学硕士学位论文 t h e s i sd e s i g n sam a t l a b g u ia n dt h em p l a bi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ts o f t w a r ep r o g r a m t h et h e s i sc o m p l e t em a t l a b g u ip r o g r a m ，p c c o m m u n i c a t i o na n da c h i e v ea s y n c h r o n o u sm o t o r sp a r a m e t e r ss e l f - i d e n t i f i c a t i o n u p o nc o m p l e t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e md e s i g n , t h i sp a p e r c o n d u c t e dap r e l i m i n a r yd e b u g g i n g s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yp a r t o ft h ee m u l a t i o ns y s t e ma c h i e v i n gt h ef u n c t i o n a lr e q m r e m e n t s o fc o u r s e ，t h e e x p e r i m e n tn e e d sf u r t h e ro p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：w i n dg e n e r a t i o n ；w i n de m u l a t i o n ；s q u i r r e l - c a g ei n d u c t i o n m o t o r ；i n d i r e c ts t a t o r - q u a n t i t yc o n t r o l ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 山东大学硕士学位论文 只 c p q p 叶轮转换机械功率 风轮气动转矩 风能利用系数 风轮机扭矩系数 空气密度 风轮半径 风速 风轮及电机角速度 叶尖速比 定子相端电压 三相感应电动势 定子相电流 转子电流 定子相电阻 转子相电阻 定子相漏抗 转子频率归算后的漏抗 相相交链互感 两相坐标系电机互感 符号说明 l 妇 z z ， 哗 q q 石 s s 百 两相坐标系电机漏感 转子时间常数 电机电磁转矩 电机极对数 转子电角速度 旋转磁场电角速度 定子电流频率 转差电角速度 转差率 转子电角速度 i ，( 七) 定子电流矢量 u 。( 七) 定子端电压矢量 v ，( 七) 定子磁链矢量 a w 。( 七) 磁链增量 屯( 七) 磁链增量幅值 a x 耐( k ) 磁链动态转角增量 皑。( 七) 磁链稳态转角增量 变频器直流侧电压 v r d 国 a 矾 局 儿 墨 如 k 如 k k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主查! 习翌日期：兰三丝塑空曰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：科阅挚导师签名：矽锗缸 日 期：w 哆f 、7 夕 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 综述 随着经济的不断发展，人类对能源的依赖和需求不断提升，各国对能源越 来越重视。常规能源具有数量上的有限性和对环境的破坏使得人类寄望于新能 源的开发利用来实现能源的可持续发展。实现能源的持续发展，从而保证经济 和社会的可持续发展，已经成为世界各国必须解决的问题。基于常规能源枯竭 和环境保护的考虑，开发新能源和利用可再生能源可作为未来能源发展的方向。 近年来，包括中国政府在内的许多国家政府制定政策、颁布法律，以政策支持、 税收减免、费用补贴等形式鼓励可再生能源的发展。 1 1 1 风能资源及风力发电现状 风能具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，受到了世 界各国的重视。并且随着世界上重视环保的呼声越来越大，各国政府和各种国 际组织对环保项目的支持力度越来越大，风力发电获得了更多的优惠政策支持。 所以无论从人类将来的能源危机，还是现在的生态环境问题来看，积极发展风 力发电事业是具有重要意义的。 2 0 0 7 年2 月全球风能理事会( g w e c ) 和欧洲风能协会( e w e a ) 分别发 表各自的年度风能统计报告，对2 0 0 6 年世界范围内风电发展的状况进行了总 结。从这两份报告的结论来看，全球风电市场的发展已经超过其它任何种类的 可再生能源资源。2 0 0 6 年世界风电市场发展迅猛，总装机容量从1 9 9 5 年的4 8 0 0 兆瓦飞速发展到2 0 0 6 年底的7 4 2 2 3 兆瓦，预计将在未来继续保持良好的发展势 头。2 0 0 6 年，欧洲市场迎来了有史以来第二个发展高峰年，美国风能市场的成 长首次超过欧盟，成为全球发展最快的国家。中国由于新能源法的颁布也迎来 了一个高速发展的年份。按照全球风能委员会的年度报告，甚至在非洲，风电 也取得了可喜的发展。单纯从成长率而言，风电已经成为能源部门仅次于燃气 发电的第二大热门领域【l l 。 中国l o 米高度层的风能资源总储量为3 2 2 6 亿千瓦，其中实际可开发利用 的风能资源储量为2 5 3 亿千瓦。例如东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地 区，有效风能密度大于或等于2 0 0 瓦平方米的等值线平行于海岸线；沿海岛屿 山东大学硕士学位论文 曼皇- , m 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓皇曼曼舅舅舅舅蔓曼皇曼量舅曼曼曼曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍皇篡 有效风能密度在3 0 0 瓦平方米以上，全年中风速大于或等于3 米秒的时数约为 7 0 0 0 8 0 0 0 小时，大于或等于6 米秒的时数为4 0 0 0 小时f 舶。中国有丰富的风 能资源，可开发利用的风能资源总量为2 5 3 g w ，但由于风力发电本身建设投资 过高的原因，造成上网电价高，影响投资者和办电部门的积极性。现在，世界 上建设风力发电的单位造价大约为1 0 0 0 美元k w ，而我国较大容量风机设备主 要靠迸口，而风力发电场建设的6 0 - - 一7 0 投资又在风机设备上。中国近年风 力发电单位造价约为人民币8 0 0 0 - - 9 0 0 0 元k w ，这个费用为燃煤火力发电单位 造价的2 - 2 5 倍【3 1 。因此加快对风力发电设备和发电技术方法的研究有着切实 的经济意义，然而风电装机成本高并且风能具随机性不利于发电试验的进行， 发电试验条件难以达成，因而限制了技术的思路开阔，为此探寻在实验室条件 下的风力模拟系统就凸显重要。 1 1 2 风力及风轮机特性 风机模拟系统是按照给定风轮的转矩、转速以及风速的关系输出机械功率， 在某一风速下，转矩能够随风速的突变而突变，而转速根据其动态特性变化。 因此风机模拟系统涉及转矩与转速的关系和动态响应两个方面的问题，一方面 要产生与瞬时风况相应的转矩，另一方面转速的变化也要与实际的风轮一致f 5 1 。 风力机把风能转化为机械能是个复杂的空气动力学过程，要精确的对风力 机进行建模，必须用基于空气动力学的桨叶的基本理论。但是，如果用桨叶的 基本理论建模，存在3 个缺点：必须用到一系列的风速信号，而不是简单的只有 一个风速信号；必须用详细的风力机风轮几何学解决问题；计算变得复杂和冗 长。 为了解决这个问题，在一些地方( 如对发电更加关心) ，人们用一个简易的模 型来描述风力机，这个风力机模型反映了风速和从风中获得的能量的关系，用 代数方程表示为( 6 l 【7 1 ： 1 e = 去p 万r 2 c p ( 允) u 3 ( 1 1 ) 二 式中乞是单位时间内叶轮吸收且转换的机械能：p 为空气密度；r 为风轮半 径；u 为风速；c 。是风能利用系数。 风轮产生的气动转矩为： 2 山东大学硕+ 学位论文 l = 墨t o = 三p 万尺3 g ( a ) 。2 ( 1 2 ) 式中g 是叶尖速比为允时的扭矩系数；是风轮转动的角速度；而允为 叶尖速比，简称叶尖比，风轮叶片尖端的线速度v 与风速d 之比，用公式表示为： a ：旦：坐：2 t e r n( 1 3 ) 一= 一= 一= 一 - j ， ud6 0 0 其中v 为风轮叶片尖端的线速度；n 为风轮转速。 c ，( a ) = a g ( a ) ( 1 4 ) a 决定着c 尸的大小，对于一个特定的风力机，具有唯一对应c 最大的叶尖 速比，称之为最佳叶尖速比，用k 表示；对应的c p 称为最大风能利用系数， 用o ，一表示。当a 大于或小于时，c 都会偏离o ，一，引起机组效率的下 降。 不同风速下，每条陆线上最大功率点的连线( 曲线) 称为风力机的最佳功 率曲线，只要运行在这条曲线上，风力机就能捕获到最大风能。定桨距风力机 的特点可总结如下：不超过额定风速时，对应某一固定的转速，风速越大，风 力机输出的机械功率也越大：在风速固定时，风力机在某一转速时可输出最大 功率，转速较小或较大时输出功率都会降低，这个转速称为最佳转速。最佳转 速是对应于某一确定风速的，风速变化，最佳转速也会随之改变。 各种风速下转矩曲线上的最佳运行点形成的t o p t 曲线称为风力机的最佳转 矩曲线，运行在此曲线上，风力机同样能捕获到最大风能。风力机的转矩特性 与功率特性实质是一致的，只是从不同的角度反映了风力机的运行特性。风力 机的最大功率和最佳转矩为： 可以看出，风力机的最大功率和最佳转矩分别与转速的三次方和二次方成正比。 3 蓥l 蓦| 以一w以一撕 就 瓤 杪 杪 山东大学硕士学位论文 1 1 3 风能模拟系统 风力机是能量转换装置，用电动机模拟风力机特性的本质是电动机的能量 或转矩控制而非常规的速度调节。根据当前风速和检测的机组转速通过风力机 数学模型计算出风力机的输出功率( 转矩) 然后将其作为电动机的控制指令加以 控制根据风力机运行原理可得风力机模型。风力机模型输入风速和转速根据模 拟方案的不同输出功率或转矩【1 0 l 。 对于风力机风轮模拟系统，可以按照原动机的类型分类，也可以按照模拟 效果进行归类。按照原动机类型分类，主要有使用直流机、永磁同步电机和三 相异步电机作为动力机的模拟系统；按照模拟系统的效果分类，可以分为动态 模拟和静态模拟。所谓静态模拟是指风力机模拟系统模拟的是风力机稳态的情 况，没有研究风力机的动态变化过程。而动态模拟系统不但可以模拟风力机稳 态的情况，对风力机的动态变化过程也同样可以实现模拟。动态模拟更贴近实 际，对电机控制性能要求更高。 1 ) 静态特性模拟【9 】【1 1 1 【1 2 】【1 3 1 【1 4 】 虽然风力机模拟系统实现的目的或者实现方式不同，但其模拟方法的思路 基本是一致的。其核心思想都是：控制模拟系统的原动机在稳态时的输出转矩 ( 功率) 和转速的对应关系一样，由于考虑的只是稳态的情况，这些模拟系统 模拟的只是静态过程。 在确定的风速下，风力机的输出功率与转速有一一对应的确定关系，同样 输出气动转矩与转速也有一一对应的关系。如果在风机模拟系统中，原动机在 稳态时的输出转矩( 功率) 与转速的关系与实际风机一样，那么就达到了模拟 的目的。 2 ) 动态特性的模拟【1 7 1 i s 】【2 4 】 文献【1 7 】即将原动机同步电机的参考电磁转矩与风轮转速联系起来，使得 同步电机的电磁转矩与风轮的气动转矩具有相同的变化规律，同时通过增加减 速齿轮箱和配置模拟系统的转动惯量与风力机一样大小，来实现动态模拟风力 机风轮。这种方法可以实现动态的模拟风力机。但是模拟不同的风力机，除了 在软件上改变风力机的转矩转速曲线，最重要是需要改变机械装置，以适 合风力机的惯量。而改变机械装置是一件费时、麻烦的事情。 4 山东大学硕士学位论文 量曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼皇量曼曼量皇舅曼皇曼曼曼曼皇舅舅曼曼曼曼曼! 曼ii i ii 曼i 曼曼曼皇舅量量曼皇舅舅鼍鼍 文献 2 4 】提供了一种用于风机动态特性模拟的新思路。本文不是直接模拟 风机的气动转矩，而是模拟其加速度。如果负载和风速不变，在实际风力机系 统和模拟系统中，他们在相同的转速下具有相同的加速度，那么模拟系统就可 以达到模拟风力机机械特性的目的。该方法需要知道总负载转矩，本文同时给 出了负载转矩的间接计算方法，并给出了误差分析。总的来讲，这种模拟方案 可以模拟风力机风轮的动态特性，而且模拟不同的风轮并不需要改变机械装置， 只需改变软件。 文献 1 8 】采用带动态特性补偿的方法用直流机模拟风轮机，对于实际风轮 机系统，有 l = ( 以+ 以) 警忆 ( 1 6 ) 对于模拟系统，有： 乙= ( 厶+ 厶) 等+ ( 1 7 ) 让模拟系统与实际风轮机有着相同的动态性能，有公式： 乙= 乃一化一厶) 警= 乃一k ( 1 8 ) 这样就可以用直流电动机模拟风轮机的动态性能。 3 ) 直流电动机模拟系统1 7 - 1 4 】 直流电动机( d cm o t o r ) 模型简单、控制性能优越，是进行风力机模拟的 有效工具。风力机和直流电动机的功率( 转矩) 特性具有较大的相似性，对 直流电动机的输出功率( 转矩) 的作用类似于d 对风力机输出功率( 转矩) 的 作用。如果忽略直流电动机和风力机特性的不同之处，最简单的风力机特性模 拟方法就是改变直流电动机电枢绕组端电压来模拟风速u 的变化。但这种 方法只是模拟了风力机的部分特性，不足以反映真实情况，因此需要探讨更精 确的风力机特性模拟方法。 4 ) 永磁同步电动机模# 2 9 统t 1 5 堋1 永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , p m s m ) 是以其转 速n 和供电频率z 之_ f b q 保持严格的同步关系而命名的，即只要供电频率彳不 变，则同步电机的转速在稳态时就恒为常值而与负载大小无关。电力电子技术、 s 山东大学硕士学位论文 计算机技术和控制理论的快速发展都为同步电动机调速系统的发展开拓了崭新 的局面。原来一直困扰人们的同步电动机起动费事、重载时有振荡以至失步等 问题已不复存在。尤其是永磁同步电动机组成的伺服系统已受到国内外的普遍 重视。永磁同步电动机体积小、重量轻、效率高，转子无发热问题，控制系统 较异步电动机简单。高性能的永磁同步电动机调速系统通常采用转子磁场定向 的矢量控制技术和直接转矩控制方式。这两种控制方式都能够控制永磁同步电 动机的转矩，系统的动态性能都很好。 5 ) 三相鼠笼异步电动机模拟系统【1 9 2 8 】 三相鼠笼异步电机( i n d u c t i o nm a c h i n e ，i m ) 具有结构简单的特点，随着 恒压频比控制、转差控制、矢量控制、直接转矩控制的应用，交流电机及其控 制系统正在取代直流调速而占据调速领域主导地位。恒压频比控制只是控制电 机的气隙磁链而不能调节转矩；转差频率控制虽然考虑了电磁转矩，但它是从 静态中推导出来的，所以这两种方法的动态性能都不是很好。直到矢量控制和 直接转矩控制的提出，异步电动机的动态特性才可以与直流电动机相媲美。矢 量控制是间接控制电磁转矩的而直接转矩控制是能够直接控制电机的电磁转 矩，利用这两种方法异步电动机都可以获得很好的动态响应。国内外有不少文 献介绍三相异步电机在风力机模拟系统方面的应用。 1 2 论文工作及意义 本文主要研究鼠笼式异步电动机用于风力发电风轮机模拟，目标是通过基 于转速反馈的转矩跟踪控制，实现风力风轮机输出特性的模拟。本文在查阅风 轮机机械特性、风轮机模拟控制和异步电机控制的文献基础上，主要做了以下 几个方面的工作： 1 ) 深入分析鼠笼式异步电动机的工作原理和建模方法，在静止坐标系和旋 转坐标系下推导异步电机的特性方程。论文具体分析了对于异步电机在不同工 作环境和工作状态下的参数变化的情况，提出启动时采用参数自辨识。通过总 结和比较目前异步电机的控制方案，提出适用于本系统的控制方框图。 2 ) 在p s i m 平台上完成异步电机参数的自辨识，异步电机转矩模型的建立， 采用间接转矩( i s c ) 控制法实现鼠笼式异步电机对风力风轮机的模拟仿真研究。 控制内环变频开关电路采用载波p w m 调制，实现实际转矩对理论转矩的快速 6 山东大学硕士学位论文 跟踪；控制外环采用转速反馈和风速给定计算理论转矩的大小，该计算方法是 可以是公式法或查表法( 由长期实验数据整理出不同风速和风轮机转速下转矩 的幅值曲线和特性公式) 。设计控制系统p i 调节器完成i s c 控制，实现风力模 拟器的仿真。 3 ) 针对仿真的控制方案和目标要求，设计以d s p i c 3 0 f 3 0 1l 为核心的控制 电路板，采用现有的i p m 核心功率板和异步电机，完成对整个模拟系统的硬件 设计。关键设计电路通过c a d e n c e 仿真，并对每个功能模块进行实物调试通过。 4 ) 在m i c r o c h i p 公司提供的m p l a b 集成开发环境下调试系统软件方案设 计。主程序中完成系统初始化( 如各模块时钟配置，引脚配置等) ，上位机通 信设计、扫描键盘刷新数码管、信号采样模数转换、速度反馈检测、p w m 调制 信号输出和参数辨识软件方案设计。 5 ) 对设计方案进行实验研究。给出参数辨识下系统的电压电流的曲线。 这些工作将在一定程度上加快风力系统模拟，为实验室条件下进行风力发 电研究提供基础条件。将电机参数自辨识应用于该系统可以使系统不同电机参 数，便于为该模拟系统的推广应用。将p i 调节器引入到转矩跟踪的控制内环， 该方法可以在不同风速下、风速不断变化及输出动力负载变化的情况下自动调 整励磁，提高了系统的稳定性。研究的成果可以应用于实验室条件下的风力发 电研究和特殊情况的风力发电研究，本论文着力于解决实际问题，具有重要的 现实意义。 1 3 论文安排 论文分为七章： 第一章概述全文，介绍风能资源及风力发电现状、风力及风轮机特性和风 力模拟系统，总结论文工作和概要论文各章安排； 第二章介绍本课题的工作框架，指出本文在课题组中需要完成的内容。分 析鼠笼式异步电机电动原理，推导测量电机参数的方程，同时在旋转坐标系下 推导方程，建立异步电动机的转矩及励磁模型，阐述间接转矩控制的工作原理。 第三章在p s i m 平台上对风力特性、异步电机参数辨识和控制理论进行设计 和仿真。最后将风力特性和转矩跟踪结合起来完成风力模拟系统建模及控制， 并对系统进行仿真研究。 7 山东大学硕士学位论文 第四章介绍本课题现有的硬件平台。综合前两章设计思路和仿真结论，设 计基于d s p i c 3 0 f 3 0 11 控制器的硬件方案系统，对部分硬件电路进行了c a d e n c e 仿真，用p r o t e l 9 9 设计原理图并绘铝u p c b 板。整个硬件系统以作者设计的控 制电路部分为主要内容，其他部分根据需要部分提及。 第五章设计m a t l a b g u i 界面，完成主机方面通信程序设计。同时在集成 开发环境采用m p l a b8 0 下设计并调试控制系统软件方案。控制器软件设计包 括系统的配置初始化、各功能模块的实现和控制器程序流程设计。 第六章叙述所研制样机系统的实物，给出实物照片及设备的清单。通过完 成电机参数辨识实验，给出实验的结果，验证软硬件设计的可行性。 第七章对全文工作做总结，指出论文的不足和展望今后的工作和努力方向。 8 山东大学硕士学位论文 曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼i i ii 鼍曼皇量曼曼曼蔓 2 风力模拟系统建模 2 1 风力发电及模拟系统介绍 本课题旨在研究实验室条件下的中小型风力发电系统。该风力发电系统分 为三个部分：风力模拟部分、风力发电部分和能量负载模拟部分。风力模拟部 分通过输入风力风速，采集电机的转速推算风轮机转矩并控制异步电机跟踪转 矩完成异步电机取代实际风轮机向发电机提供原动力。风力发电部分则是使用 与异步电动机同轴的开关磁阻电动机( s i 沁) ，吸收电动机的机械能并转化为电 能。能量负载模拟部分则类似于一个可变电阻，维持开关磁阻电机主电路直流 侧电压恒定。系统整体框架如图2 1 所示。 图2 1 实验室条件下风力发电系统框架 本文所做的工作是实验室条件下风力发电系统的风力机模拟部分，是实现 不同风力发电控制的一个基本条件。文章将围绕风力的模拟、电机参数辨识及 建模、异步电机的控制和实现展开分析。 2 2 风力特性模型 图2 2 风力发电模拟系统框架 建立风力风轮机模拟系统主要是对风力发电进行试验研究，可以不受气候 等条件的限制，更好的研究不同风力和风轮机下的发电技术。本模拟系统旨在 建立一个机电随动系统，用以接受来自模拟器的给定信号，提供一个输出变量 作为模拟器的响应。在上一章提到在定桨矩的情况下风力对风轮机的特性，事 9 山东大学硕士学位论文 实上模拟系统根据叶桨的调节控制可以分为定桨矩和变桨矩两种情况。 定桨矩风轮机模拟系统中，将被模拟风轮机的a c p 预存成表格( 或者利 f = 6 用多项式拟合c r = 口，九) ，根据给定风速d 、风轮机转速和风轮半径灭， 可以求得叶尖速比a ，通过a g 曲线求出g ，再根据式( 1 2 ) 可以求得风轮 机的气动转矩转矩，乘以转速即得输出功率，作为模拟风轮机系统的转矩给定。 具体实现如图2 3 所示。 图2 3 定桨矩风轮机简化模型 在变桨矩模拟系统中，在原有公式不变的情况下c r ( a ) 增加节矩角卢，使 得扭矩系数变成c ，( a ，j 6 i ) 。对于该表达式的确立本文不做进一步阐述，转矩系 数由风轮机厂商提供数据。 2 1 3 鼠笼式感应电机的稳态分析 鼠笼式感应电机依赖定、转子间电磁感应作用，在转子内感应电流以实现 机电能量转换，其结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，在工业中应用 广泛。 2 3 1 鼠笼式感应电机的结构 电机主要由转子和定子组成。感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机 座组成，转子由转子铁心、转子绕组合转轴组成。定子铁心是主磁路的一部分， 为减少激磁电流和旋转磁场在铁心中的涡流和磁滞损耗，铁心由厚0 s m m 的硅 钢片叠成。定子铁心内圆，均匀地冲有许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。 笼型绕组为自行闭合的对称多相绕组，它由插入每个转子槽的导条和两端的环 形端环构成，一根导条代表一个单相，因此转子相数不一定等于定子相数【2 9 1 。 1 0 山东大学硕士学位论文 ! i , n 一, m 皇曼曼曼曼曼皇曼 2 3 2 鼠笼式感应电机的电磁关系 感应电机利用电磁感应原理，通过定子三相电流产生旋转磁场，并与转子 绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，感 应电机的转子速率总是略差与旋转磁场转速( 通常用代表转子空间转速角频 率，哆表示转子电角速度，劬代表旋转磁场电角速度，吐表示转差电角速度， 8 来表示转差率) 。当然在转子绕组上感应出的电流同样会对气隙旋转磁场产生 影响，称为转子反应。气隙旋转磁场即主磁场将在定子三相绕组内感应对称的 三相感应电动势e l = - i 。z m ，该感应电动势频率为z = 0 9 1 2 t r ，可以看成是定子 另两相绕组和转子绕组对该相的感应电动势。根据基尔霍夫定律，定子每相所 加的电源电压应当等于该电动势的负值加上定子电流所产生的漏阻抗压降。于 是定子的电压方程为： u i = j 1 ( r l + 工y 1 6 ) - e l = hr 1 + ( j 1j x l 6 一e 1 ) ( 2 1 ) 式中u - 为定子相电源电压：i i 为定子相电流；曷，五5 为定子相电阻和 漏抗。 气隙磁场同样还在转动的转子绕组内感应出频率为正= ( q - 6 o , ) 2 z r 的电 动势三：，数值_ i ze 2 ，= s e 2 。感应电机的转子绕组通常为短接，此时根据基尔霍 夫第二定律可写出转子绕组单相的电压方程： e 2 产1 2 ，( 马+ 趟2 6 ) ( 2 2 ) 式中，：。为转子电流；r ：为转子相电阻；彳：6 为转子频率归算为六的漏抗。 于是归纳得到感应电动机耦合电路示意如图2 4 ： 以 图2 4 感应电动机定转子耦合电路示意图 山东大学硕士学位论文 由于定、转子频率不同，相数和有效匝数亦不同，故定转子联系不到一起。 为得到定转子统一的等效电路，必须把转子频率变换为定子频率，转子的相数、 有效匝数变换为定子的相数和有效匝数。为此进行频率归算和绕组归算。频率 归算从公式上看就是转子电压公式两端同时除以s ，就有： 垂2 ：1 2 ( 生+ ：。) ( 2 3 ) j 式中，：与，z ，幅值相等，但频率不同。 这样用一个静止的电阻为r 肛的等效转子去代替电阻为r ：的实际旋转的 转子，等效转子具有同样的转子磁动势。 而所谓绕组归算是用一个相数、有效匝数和定子绕组完全相同的等效转子 绕组去代替原来的相数、有效匝数的转子绕组。归算时，应保持转子绕组具有 相同的电磁效应，即转子磁动势大小相位、转子功率、损耗和漏磁场的储能等 均保持不变。归算公式为： 现坐盘：朋，n 2 k w 2 1 2 ( 2 4 ) n p n p 式中为极对数；l 为归算后的转子电流。 图2 5 归算后感应电动机的等效电路不恿图 2 4 三相异步电机参数自辨识 异步电机使用时往往需要通过空载实验和堵转实验测量内部参数，然后设 计控制回路的调节器，这种办法操作复杂且费时，控制性能依赖操作人员的技 术水平。传统的测量方法用于现代控制领域显然已经不适合。现代异步电机控 制系统本身就装有许多检测环节如电压、电流和转速检测，利用这些测量环节 可以实现电机的自辨识。参数自辩识对电机使用非常方便，而且可以在不同环 境下得到准确的参数。进一步说参数的自辩识也给电机转矩和励磁估算自建模 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼鼍曼_ 曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼一i i 皇曼曼量曼曼曼曼曼曼 提供了条件，对于模拟系统的适应性提供了极大的帮助。模拟系统不会因为电 机使用过久或更换带来转矩跟踪不准确的情况。 2 4 1 定子电阻的辨识 通过直流试验来获得定子电阻，电机等效电路中只有定子绕组电阻起作用。 使用变频器的任意两个桥臂( 也可以是三个桥臂) 产生电流大小几乎不变的直 流电，如图2 6 所示。这种控制办法可以是电流跟踪法，也可以是占空比恒定的 办法通过滤波求取电流的平均值( 由于电机电阻小，测量功率小变频器直流侧 电压变化很小) 。电压平均值与电流平均值之比为两相定子电阻之和，每相定 子电阻大小为其l 2 。 式中u 盯为功率管的压降。 图2 6 异步电机定子电阻辨识电路 2 4 2 转子电阻和漏感的辨识 ( 2 5 ) 利用单相试验可以代替堵转试验来测得转子电阻和定转子漏感。a 相和b 相 控制信号相同，向电机施加正弦电压获得正弦电流来完成单相试验，其等效电 路如图2 。7 所示。通常异步电动机定、转子漏感相对于互感而言都很小，而且基 本相等，这样可以得到简化的单相实验电机等效电路。 l - 2 a ) 等效电路 l _ 2 b ) 简化电路 图2 7 单相交流实验下的电机等效电路 竿 1 2 = r 山东大学硕士学位论文 通过逆变器在异步电动机定子两相绕组上施加基波频率材的p w m 波，异 步电动机同时受到相等正序和逆序电流的激磁，不转动。所加正弦电压的基波 幅值和初相位角由计算机控制。选定某一相电压相位为0 的时刻开始对该相 绕组中的电流进行采样。对一个周期中采样到的数据进行傅氏分解，可计算出 ls i n o 和乞c o s o ，从而得： 去吃乞c o s 0 辟2 矿 q 石 厶。+ k ：t v o j , , s i n 0 ) l t 厂 ( 2 7 ) 注意由于转子电阻的求取，并没有用总电阻减去定子电阻而是直接对半求 取。这是因为转子绕组的时间常数大，而且互感绕组对该时间常数影响较大。 2 4 3 互感和极对数的辨识 互感和空载电流辨识是通过空载实验实现的。当电动机在空载情况下运行 时，电动机转速基本接近同步转速，转差率s 接近o ，电动机转子回路相当于开路。 异步电动机的等效电路见图2 8 。 图2 8 空载实验单相等效电路图 通过逆变器在异步电动机定子三相绕组上施加基波频率为的p w m 波，使 异步电动机空载运行，转速c o 。所加相电压的基波幅值圪和初相位角由计算机 控制。选定某一相电压相位为0 的时刻开始对该相绕组中的电流进行采样。对一 个周期中采样到的数据进行傅氏分解，可计算出ls i n o 和lc o s 0 ，从而得： 互感参数为： k = 等= c 竿讽，2 万厂 ( 2 8 ) 1 4 山东大学硕士学位论文 极对数怖( 向上取整) 为： 刀，：6 0 f( 2 9 一) 刀p = 一 【z ) 2 s 三相异步电机模型的建立 在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常做如下的假设：1 ) 忽略空 间谐波，设三相绕组对称，在空间上互差1 2 0 0 电角度，所产生的磁动势沿气隙 周围按正弦分布；2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定：3 ) 忽略铁心损耗；4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响1 3 0 ”。 2 5 1 三相静止坐标系下的模型 由上一节的折算可以将三相异步电动机的电角度空间等效模型，如图2 9 所 示。定子绕组轴线在空间固定，转子绕组以物理转速旋转，转子口轴与定子彳 轴成9 的空间电角位移变量( 显然有= q 咋：掣厶p ) 。各绕组电压，电流 和磁链的正方向符合右手螺旋定则。 曰 气 酾 厂 蕊二。 八 ”樱 v 汁才一 扩 专 c c 图2 9 三相异步电机电角度空间模型 在异步电机内部每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互 感磁链之和，绕组自感磁链包括不穿过气隙只与自身交链的漏磁通链和穿过气 隙与其他绕组交链的磁通链，因此可以用向量公式表示为： 、i ，= l i 式中v = 眇彳y by c 杪dl f ，6l f ，c 】7 ； ( 2 1 0 ) i = i ai 8 如乞屯t 】7 ；l 为各绕 = 【 七乞z 。j 。；l 为各绕 山东大学硕士学位论文 组自感之间的互感矩阵。 理想的认为的电机定子绕组和转子绕组三相对称，即定子三相和转子绕组 三相相位差固定为1 2 0 0 ，而每相定子绕组与对应转子绕组互差9 ，如图2 9 所 示。这样不难得到： ：k c o s 日k c o s ( p + 等) k ( c o s 日一等) ：k ( c o s e - - 孚) kc o s 9 - 。c o s ( 口号) ! ) - 。c o s ( 9 + 等) k ( c 。s 9 一等) l m c o s 日 jj l 。c o s 口k c o s ( p 一等) k ( e o s e + - 警- ) ：k + k- 主k- 三k j k ( c 。s 9 + 等) k c o s pk c o s ( 9 一等) ： k k + k 吉k k c o s ( 9 一了2 z ) l ( c o s o + 等) k c o s 9 ：毛厶咿一三k k + k j j z z 式中k 为与一相绕组交链的最大互感磁通对应于该相的互感。 ( 2 1 1 ) e h 上一节推导出的电压方程公式2 1 所示，现将该方程看成是绕组电阻和磁 感应电压两相可以得到： u = r i + 立d t = r i + p 、l ， ( 2 1 2 ) 式中i = 如屯屯厶t 】7 ；u = 甜彳u bu c “口u c 7 ；p 为微分算 子；r = f 雠 rr s r sr ，墨r ，】。 电机的电磁转矩可以根据机电能量转换原理求出转矩表达式： 死= ，乍厶【( + + 砝之) s i n 0 + ( i a + i n i c + i c i , , ) s i n ( o + 2 j l r ) ( 2 1 3 ) + ( 之+ i b i o + t ) s i n ( p 一三三) 式中脚为电机极对数。 从电机机械功率输出的角度可以得到转矩与转速的物理方程式： 耻瓦+ 丢等 汜 式中t 为负载转动转矩；，为机组转动惯量。 1 6 扛扛，2u k k k 扛“兰 l 一 儿 k k k。一2。一2一 山东大学硕十学位论文 2 5 2 两相静止坐标系下的模型 对于任意一个对称三相静止坐标系的电压电流状态量事实上都可以用两相 垂直坐标系下表示。经过三相静止到两相静止变换的坐标系定义为a 卢坐标 系。该坐标系下，口轴和卢轴的电流分量仍然正弦变化。于是可以推导出正交 卜。c 。s 了2 7 rc 。s 了4 7 r 。 。 卜s 证等s m 等。 。 c = 、剖；苦言告乏亨c 。s 9 0 c 。s 。p + 0 等