用于风电独立变桨的PMSM设计与控制研究

【摘要】：随着国家能源安全利用和可再生能源技术不断发展，风电大规模利用已经在世界范围形成热点，兆瓦级风机系统技术日趋成熟且风力资源的利用率也越来越高，正从陆上向海上发展。实际风场受到环境气候和地形地貌影响，风速是不均匀分布的，而且可能超过额定风速甚至达到阵风，这对风机叶片会造成很大的冲击，为保证桨叶能够安全稳定运行并充分利用风能，兆瓦级风机均采用变桨控制系统。该系统安装在风机轮毂内，通过调节风机叶片节距角来改变桨叶迎风受力分布情况，使得风机捕获理想的风功率。然而，叶片统一变桨方法不能对不均匀分布风速达到最佳风功率捕获，而液压变桨系统响应速度慢，为此提出了电动独立变桨系统，即每个桨叶用一个永磁同步电机和减速齿轮箱实现电力电子伺服驱动控制。 本文根据自然科学基金项目大型风机异步变桨技术的研究（50907040）研究兆瓦级风机电动独立变桨系统永磁同步电机的设计和控制。针对用于独立变桨伺服系统的转矩和转速运行特性范围宽广，伺服驱动系统电源电压波动范围大的技术特点，对永磁同步电机结构进行了特殊的设计，并采用了简单有效的控制策略。电机设计性能和参数，借助于Ansoft软件进行二维有限元分析计算，获得不同负载工况下电机的磁场分布，保证所设计电机的性能能够符合独立变桨系统的要求。 在此基础上采用SVPWM控制方法对永磁同步电机进行了数学建模和仿真分析。根据仿真结果搭建了独立变桨伺服驱动系统：包括DSP软件、IGBT功率驱动模块、独立供电电源和磁粉测功机负载等，验证了所提出独立变桨系统的控制策略，获得了不同负载情况下电机的运行数据，为风电机组电动变桨距系统在实际环境条件下可靠运行提供了依据。 【关键词】：电动独立变桨 永磁同步电机 伺服驱动器 有限元分析
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题背景和研究意义9-11
• 1.1.1 国内外风电发展现状9-10
• 1.1.2 国内外风电变桨系统发展现状10-11
• 1.2 风机电动变桨系统11-14
• 1.2.1 风机电动变桨系统简介11-12
• 1.2.2 风机电动变桨系统控制原理12-13
• 1.2.3 风机电动变桨系统的设计13-14
• 1.3 本章小结14-16
• 第二章 永磁同步电机的设计16-30
• 2.1 PMSM 简介16-18
• 2.2 PMSM 的发展及研究现状18-20
• 2.3 永磁同步电动机的稳态性能20-22
• 2.4 PMSM 的额定数据和主要尺寸计算分析22-28
• 2.4.1 定子绕组尺寸选择23-24
• 2.4.2 定子绕组24-26
• 2.4.3 气隙长度δ26
• 2.4.4 永磁体尺寸及结构设计26-27
• 2.4.5 永磁材料的选择27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第三章 PMSM 二维有限元的建模与仿真30-42
• 3.1 基于 Ansoft 的有限元分析30-32
• 3.1.1 有限元计算方法30-32
• 3.2 基于 Ansoft 软件的有限元建模分析32-41
• 3.2.1 磁路参数计算33-35
• 3.2.2 空载情况下的电磁场分析35-36
• 3.2.3 负载情况下的电磁场分析36-40
• 3.2.4 交直轴电枢反应电感和电抗40-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第四章 PMSM 的控制策略42-69
• 4.1 永磁同步电机的数学模型42-47
• 4.1.1 三相静止坐标系下的数学模型43-44
• 4.1.2 两相静止坐标系的数学模型44-46
• 4.1.3 两相旋转坐标系下的数学模型46-47
• 4.2 PMSM 参数辨识47-54
• 4.2.1 电阻辨识47-48
• 4.2.2 电感辨识48-50
• 4.2.3 转动惯量的辨识50-52
• 4.2.4 永磁体磁链辨识52-54
• 4.3 永磁同步电机的控制策略54-59
• 4.3.1 恒压频比控制54-55
• 4.3.2 直接转矩控制55
• 4.3.3 矢量控制55-59
• 4.4 空间电压矢量脉宽调制59-65
• 4.4.1 空间矢量调制的原理59-63
• 4.4.2 空间矢量脉宽调制的步骤63-65
• 4.5 SVPWM 控制的 SIMUlink 仿真分析65-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第五章 PMSM 电动变桨伺服驱动器的设计69-79
• 5.1 PMSM 电动变桨伺服驱动器整体模块设计69-70
• 5.2 伺服驱动器的硬件电路设计70-76
• 5.2.1 驱动电路设计71-73
• 5.2.2 模拟量采集模块设计73-76
• 5.3 PMSM 电动变桨伺服驱动器软件设计76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 设计结果及实验波形分析79-87
• 6.1 变桨系统设计79-80
• 6.2 负载测试平台设计80-82
• 6.3 测试实验结果分析82-86
• 6.4 本章小结86-87
• 第七章 总结与展望87-89
• 7.1 总结87-88
• 7.2 展望88-89
• 参考文献89-92
• 致谢92-93
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文93-94
• 附件94-96

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