MW级风电机组永磁直驱独立变桨距控制系统研究
发布时间：2021-09-29 07:01
随着低碳清洁、高效安全的现代能源体系的建设和推进,国内风电装机呈稳步发展态势。独立变桨距控制系统作为风电机组三大控制系统之一,承担着稳定风力机输出功率和抑制桨叶、塔架等部件振动的任务。本文提出一种新型的永磁直驱变桨距驱动结构,该结构去掉了行星齿轮减速器,降低了系统故障率,提高了对桨距角位置的跟随控制能力。通过理论建模推导、数值仿真及实验验证对永磁直驱独立变桨距控制系统展开了较为系统的研究。研究工作主要包括:（1）基于动量叶素理论分析了桨叶的负载特性,构建了三维风速模型。根据变桨距风力机的运行状态和控制方法,设计了基于Coleman变换的独立变桨距控制器;根据2MW风力机的参数搭建了独立变桨距控制仿真平台,仿真结果表明独立变桨距控制器对塔架和桨叶的振动具有较好的抑制作用。（2）基于矢量控制策略进行独立变桨距位置控制。设计了基于内模控制的电流控制器;结合变桨距负载特性,设计了基于LADRC的速度控制器,提高了系统对变桨突变负载的抗干扰能力;设计了位置控制器并提出了一种桨距角的定位方法。基于MATLB/Simulink搭建了矢量控制仿真模型,进行了速度控制与位置控制仿真,仿真结果表明LADR...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT驱动电路
硕士学位论文46图中右侧为IGBT驱动引脚，Cx_x、Gx_x、Ex_x引脚分别与IGBT的集电极、门极、发射极连接。每个驱动通道的正驱动电压为+15V，各通道GND与对应的Ex_x相连，VEE提供-9V关断电压，可防止由于IGBT输入产生的额外电荷而动态开启。门极开关信号Gx_x通过10Ω的电阻R21耦合。Cx_x引脚用于检测IGBT开关饱和电压CEV，为了避免Cx_x引脚上的尖峰电压造成错误检测，利用R18与C20构成RC滤波器产生消隐时间，消隐时间长短可通过C20进行调整。4.1.5通信电路本文设计的驱动器支持多种通信方式，除常用的RS485通信外还支持CAN总线通信和无线串口通信。RS485用于上位机通信，接口简单便于很容易实现与PC的连接；无线串口用于驱动器调试时接收调试数据；CAN总线用于驱动器与风电机组主控制器的通信，可以为变桨距系统提供可靠、实时、高效率的信号传输。RS485为半双工差分通信网络接口，通常采用带屏蔽的双绞线传输，理论最大传输距离为3000米。为提高RS485接口对不同工业设备通信端口的适配能力，设计隔离的RS485通信接口，如图4-4所示。图4-4RS485通信接口原理图Figure4-4RS485communicationinterfaceschematicDSP的SCI串口信号经双通道数字芯片ADUM1201光电耦合隔离，RS485传输方向控制信号DIR，通过光电耦合芯片TLP350隔离，RS485接口侧的供电电源经电源模块WRB0505进行隔离，以此实现对信号和电源的隔离。R10对A线进行上拉，R12对B线进行下拉，防止A、B之间的差分电压过小而出现乱码现象。L2为共模电感，与R11、R13构成滤波器，滤除差分线路上的共模噪声。瞬态电压抑制器D2将A、B两线之间的电压钳位在5.8V内，保护各器件不受浪涌电压的损害。R14为RS485总线终端电阻，J2选择是否接入终端电阻。
4永磁直驱变桨电机驱动器软硬件设计47图4-5CAN通信接口原理图Figure4-5SchematicdiagramofCANcommunicationinterfaceCAN为国际标准化的串行通信协议，其信号也为差分信号。本文设计的CAN通信接口电路如图4-5所示，同样的，对信号和电源进行了电气隔离的设计。基于芯片ISO1050实现CAN总线的差分发送和差分接收功能；两个瞬态电压抑制器D3、D4用于吸收CANH、CANL上的浪涌电压；隔离电源的地通过电容C13耦合至真正的大地，为差分线路上的共模噪声提供一条低阻抗的泄放路径；R15为CAN总线终端电阻。另外，无线串口通信采用成熟的通信模块，控制器引出DSP的LIN接口即可。由于无线通信本身就具有电气隔离，该接口无需繁杂的电气隔离设计。4.1.6信号检测电路信号检测包含相电流检测，母线电压检测，编码器信号检测，功率电路温度检测，绕组温度检测等。涉及模拟信号检测和数字信号检测，模拟信号利用DSP内部的ADC外设进行A/D转换，编码器信号接入DSP的eQEP外设。因此，必须设计电路对上述信号进行处理，转化为满足ADC或eQEP外设的信号。图4-6相电流检测电路Figure4-6Phasecurrentdetectioncircuit相电流检测信号如图4-6所示，分为电流信号采集、放大滤波、电平移位三部分。电流信号由闭环霍尔电流传感器LAH25-NP采集，该传感器采用第一种接线方式1:1000NK=，额定测量电流为25A，最大量程为55A，闭环霍尔电流传感器有很好的电气隔离功能，且具有很大的带宽（DC-200kHz）。LAH25-NP副边
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年中国风电吊装容量统计简报[J]. 风能. 2019(04)
[2]大型风力机叶片非线性流固耦合模型[J]. 吕品,廖明夫,尹尧杰. 太阳能学报. 2017(08)
[3]基于LQG的独立变桨控制技术对风电机组气动载荷影响研究[J]. 金鑫,王亚明,李浪,任海军,何玉林,杨显刚. 中国电机工程学报. 2016(22)
[4]基于改进VonKarman模型的风力机来流三维风速模拟[J]. 杨从新,郜志腾,张旭耀. 农业工程学报. 2016(15)
[5]基于专家系统的风电机组协调控制策略研究[J]. 史朝晖,白明,盖东飞,傅钧,夏安俊. 电气应用. 2016(12)
[6]永磁同步电机离线参数辨识方法研究[J]. 张瑞峰,詹哲军,李岩,李国锋,尹忠刚. 机车电传动. 2016(03)
[7]自适应非奇异终端滑模控制及其在BPMSM中的应用[J]. 许波,朱熀秋. 控制与决策. 2014(05)
[8]风力发电系统独立变桨距载荷优化控制研究[J]. 潘庭龙,马忠鑫,卢恩超,孙承奇. 控制工程. 2014(02)
[9]GH Bladed和Matlab的交互软件设计及风力发电机的独立变桨控制器仿真研究[J]. 刘兴华,敬维,林威. 中国电机工程学报. 2013(22)
[10]基于柔性尾缘襟翼的风电叶片气动载荷智能控制[J]. 余畏,张明明,徐建中. 工程热物理学报. 2013(06)
博士论文
[1]矿用刮板输送机永磁直驱系统速度控制策略研究[D]. 路恩.中国矿业大学 2018
[2]大型变桨距直驱式风电机组系统建模与控制策略研究[D]. 戴巨川.中南大学 2012
[3]大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D]. 张纯明.沈阳工业大学 2011
[4]大型风电机组变桨距控制策略研究[D]. 王哲.沈阳工业大学 2010
[5]大型风力机功率控制与最大能量捕获策略研究[D]. 孔屹刚.上海交通大学 2009
[6]兆瓦级风力发电机组变桨距系统控制技术研究[D]. 郭洪澈.沈阳工业大学 2008
[7]大型风力机变桨距控制技术研究[D]. 林勇刚.浙江大学 2005
硕士论文
[1]风力发电机组变桨系统的研究[D]. 林士琦.大连理工大学 2016
[2]2MW风力发电变桨驱动控制策略研究[D]. 张斯其.哈尔滨工业大学 2016
[3]风机电动变桨驱动器一体化研究[D]. 李钊.上海电机学院 2015
[4]橡胶精炼机外转子永磁直驱电动辊的设计与研究[D]. 孙荻.沈阳工业大学 2014
[5]用于风电独立变桨的PMSM设计与控制研究[D]. 朱洪成.上海交通大学 2014
[6]永磁同步电机变桨伺服系统研究[D]. 许永衡.西南交通大学 2012
[7]兆瓦级风电机组变桨距控制技术研究[D]. 周波.南京航空航天大学 2012
[8]兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计[D]. 汤彪.湖南大学 2011
[9]3MW风机变桨距驱动系统设计[D]. 安占国.沈阳工业大学 2011
[10]兆瓦级风电机组变桨距控制系统的研究[D]. 姜海全.天津理工大学 2011
本文编号：3413269
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT驱动电路
硕士学位论文46图中右侧为IGBT驱动引脚，Cx_x、Gx_x、Ex_x引脚分别与IGBT的集电极、门极、发射极连接。每个驱动通道的正驱动电压为+15V，各通道GND与对应的Ex_x相连，VEE提供-9V关断电压，可防止由于IGBT输入产生的额外电荷而动态开启。门极开关信号Gx_x通过10Ω的电阻R21耦合。Cx_x引脚用于检测IGBT开关饱和电压CEV，为了避免Cx_x引脚上的尖峰电压造成错误检测，利用R18与C20构成RC滤波器产生消隐时间，消隐时间长短可通过C20进行调整。4.1.5通信电路本文设计的驱动器支持多种通信方式，除常用的RS485通信外还支持CAN总线通信和无线串口通信。RS485用于上位机通信，接口简单便于很容易实现与PC的连接；无线串口用于驱动器调试时接收调试数据；CAN总线用于驱动器与风电机组主控制器的通信，可以为变桨距系统提供可靠、实时、高效率的信号传输。RS485为半双工差分通信网络接口，通常采用带屏蔽的双绞线传输，理论最大传输距离为3000米。为提高RS485接口对不同工业设备通信端口的适配能力，设计隔离的RS485通信接口，如图4-4所示。图4-4RS485通信接口原理图Figure4-4RS485communicationinterfaceschematicDSP的SCI串口信号经双通道数字芯片ADUM1201光电耦合隔离，RS485传输方向控制信号DIR，通过光电耦合芯片TLP350隔离，RS485接口侧的供电电源经电源模块WRB0505进行隔离，以此实现对信号和电源的隔离。R10对A线进行上拉，R12对B线进行下拉，防止A、B之间的差分电压过小而出现乱码现象。L2为共模电感，与R11、R13构成滤波器，滤除差分线路上的共模噪声。瞬态电压抑制器D2将A、B两线之间的电压钳位在5.8V内，保护各器件不受浪涌电压的损害。R14为RS485总线终端电阻，J2选择是否接入终端电阻。
4永磁直驱变桨电机驱动器软硬件设计47图4-5CAN通信接口原理图Figure4-5SchematicdiagramofCANcommunicationinterfaceCAN为国际标准化的串行通信协议，其信号也为差分信号。本文设计的CAN通信接口电路如图4-5所示，同样的，对信号和电源进行了电气隔离的设计。基于芯片ISO1050实现CAN总线的差分发送和差分接收功能；两个瞬态电压抑制器D3、D4用于吸收CANH、CANL上的浪涌电压；隔离电源的地通过电容C13耦合至真正的大地，为差分线路上的共模噪声提供一条低阻抗的泄放路径；R15为CAN总线终端电阻。另外，无线串口通信采用成熟的通信模块，控制器引出DSP的LIN接口即可。由于无线通信本身就具有电气隔离，该接口无需繁杂的电气隔离设计。4.1.6信号检测电路信号检测包含相电流检测，母线电压检测，编码器信号检测，功率电路温度检测，绕组温度检测等。涉及模拟信号检测和数字信号检测，模拟信号利用DSP内部的ADC外设进行A/D转换，编码器信号接入DSP的eQEP外设。因此，必须设计电路对上述信号进行处理，转化为满足ADC或eQEP外设的信号。图4-6相电流检测电路Figure4-6Phasecurrentdetectioncircuit相电流检测信号如图4-6所示，分为电流信号采集、放大滤波、电平移位三部分。电流信号由闭环霍尔电流传感器LAH25-NP采集，该传感器采用第一种接线方式1:1000NK=，额定测量电流为25A，最大量程为55A，闭环霍尔电流传感器有很好的电气隔离功能，且具有很大的带宽（DC-200kHz）。LAH25-NP副边
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年中国风电吊装容量统计简报[J]. 风能. 2019(04)
[2]大型风力机叶片非线性流固耦合模型[J]. 吕品,廖明夫,尹尧杰. 太阳能学报. 2017(08)
[3]基于LQG的独立变桨控制技术对风电机组气动载荷影响研究[J]. 金鑫,王亚明,李浪,任海军,何玉林,杨显刚. 中国电机工程学报. 2016(22)
[4]基于改进VonKarman模型的风力机来流三维风速模拟[J]. 杨从新,郜志腾,张旭耀. 农业工程学报. 2016(15)
[5]基于专家系统的风电机组协调控制策略研究[J]. 史朝晖,白明,盖东飞,傅钧,夏安俊. 电气应用. 2016(12)
[6]永磁同步电机离线参数辨识方法研究[J]. 张瑞峰,詹哲军,李岩,李国锋,尹忠刚. 机车电传动. 2016(03)
[7]自适应非奇异终端滑模控制及其在BPMSM中的应用[J]. 许波,朱熀秋. 控制与决策. 2014(05)
[8]风力发电系统独立变桨距载荷优化控制研究[J]. 潘庭龙,马忠鑫,卢恩超,孙承奇. 控制工程. 2014(02)
[9]GH Bladed和Matlab的交互软件设计及风力发电机的独立变桨控制器仿真研究[J]. 刘兴华,敬维,林威. 中国电机工程学报. 2013(22)
[10]基于柔性尾缘襟翼的风电叶片气动载荷智能控制[J]. 余畏,张明明,徐建中. 工程热物理学报. 2013(06)
博士论文
[1]矿用刮板输送机永磁直驱系统速度控制策略研究[D]. 路恩.中国矿业大学 2018
[2]大型变桨距直驱式风电机组系统建模与控制策略研究[D]. 戴巨川.中南大学 2012
[3]大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D]. 张纯明.沈阳工业大学 2011
[4]大型风电机组变桨距控制策略研究[D]. 王哲.沈阳工业大学 2010
[5]大型风力机功率控制与最大能量捕获策略研究[D]. 孔屹刚.上海交通大学 2009
[6]兆瓦级风力发电机组变桨距系统控制技术研究[D]. 郭洪澈.沈阳工业大学 2008
[7]大型风力机变桨距控制技术研究[D]. 林勇刚.浙江大学 2005
硕士论文
[1]风力发电机组变桨系统的研究[D]. 林士琦.大连理工大学 2016
[2]2MW风力发电变桨驱动控制策略研究[D]. 张斯其.哈尔滨工业大学 2016
[3]风机电动变桨驱动器一体化研究[D]. 李钊.上海电机学院 2015
[4]橡胶精炼机外转子永磁直驱电动辊的设计与研究[D]. 孙荻.沈阳工业大学 2014
[5]用于风电独立变桨的PMSM设计与控制研究[D]. 朱洪成.上海交通大学 2014
[6]永磁同步电机变桨伺服系统研究[D]. 许永衡.西南交通大学 2012
[7]兆瓦级风电机组变桨距控制技术研究[D]. 周波.南京航空航天大学 2012
[8]兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计[D]. 汤彪.湖南大学 2011
[9]3MW风机变桨距驱动系统设计[D]. 安占国.沈阳工业大学 2011
[10]兆瓦级风电机组变桨距控制系统的研究[D]. 姜海全.天津理工大学 2011
本文编号：3413269
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