开关磁阻风力发电机控制器设计与实验研究

随着经济的快速发展,人类对能源的需求明显增加,而地球上的常规能源是有限的,风能、太阳能的开发利用正日益受到重视。在风力发电机领域,研究最多的是双馈电机和直驱永磁同步电机。 开关磁阻电机是电机技术与现代电力电子技术、微机控制技术结合的产物,具有结构简单、成本低、容错能力强、耐高温等优点,又在高度发展的电力电子和微机控制技术支持下获得了良好的控制性能,已经在驱动调速领域得到了广泛的应用,同时也在发电领域受到越来越多的重视。本文主要研究开关磁阻风力发电机控制器的设计。 结合开关磁阻电机的基本方程式,在MATLAB/SIMULINK中分别建立了基于线性电感和准线性电感的仿真模型,对开通关断角对电机运行性能的影响进行了初步的仿真分析。总结了开关磁阻电机三种典型的控制方式及其实现方法,提出了一种由单片数字信号控制器实现的数模混合控制电流斩波+角度位置控制方案。 磁链高度饱和是开关磁阻电机的一大特征,在PLECS软件中给出了电感非线性的一种建模方法。本文在SIMULINK/PLECS平台上,设计了开关磁阻风力发电机控制器。控制器内环采用电流斩波+角度位置控制方案,目标是实现转矩脉动和效率综合最优;控制器外环是基于转速反馈的功率环,分别采用传统PI控制和模糊自调整PI控制两种方案,目标是通过控制发电机输出功率实现最大风能跟踪。通过仿真验证了设计方案的可行性。 对仿真方案进行了基于dsPIC30F2023最小控制系统设计,并设计了完备的过压过流硬件保护电路和人机交互接口。设计了基于仙童单管IGBT的不对称半桥功率电路和相应的电压电流检测接口。硬件电路通过Cadence仿真后,在Altium Designer中绘制了印制电路板。 在MPLAB集成开发环境中进行了软件方案的设计。主要包括dsPIC30F2023时钟配置,主程序、电流PWM程序、转子位置估计、转速计算、开通关断角根据电流斩波限在线调整、AD转换、SPI通讯等器件层程序和最大风能跟踪控制算法层程序的设计。 软硬件系统设计完成后,本文对所研制实验装置进行了初步调试。实验结果表明所研制实验装置基本能实现功能要求,但仍需进一步优化和改进。