學術堂首頁 | 文獻求助論文范文 | 論文題目 | 參考文獻 | 開題報告 | 論文格式 | 摘要提綱 | 論文致謝 | 論文查重 | 論文答辯 | 論文發表 | 期刊雜志 | 論文寫作 | 論文PPT
學術堂專業論文學習平臺您當前的位置:學術堂 > 畢業論文 > 在職碩士論文 > 工程碩士論文 > 電氣工程碩士論文

永磁同步發電機PWM整流系統的控制探究

時間:2019-11-20 來源:華僑大學 作者:陳瑞培 本文字數:5040字
  摘 要
  
  永磁同步發電機 PWM 整流系統因為具有發電機電流諧波分量小,功率因數可調、直流電壓動態響應快、能量可雙向流動等優點,被廣泛應用于船舶供電、特種車輛供電、混合動力汽車以及新能源發電等領域。本文以變速永磁同步發電機 PWM 整流系統為研究對象,采用理論分析、軟件仿真以及實驗驗證相結合的研究路線,對永磁同步發電機 PWM 整流系統的控制策略進行了研究,具體內容如下:
  
  首先,本文闡述了永磁同步發電機的工作原理,建立永磁同步發電機和PWM 整流器在旋轉坐標系下的數學模型,并研究了永磁同步發電機運行的約束條件,為后續章節控制策略的研究奠定了基礎。
  
  其次,介紹了永磁同步發電機的矢量控制原理,并在此基礎上,對雙環可控弱磁穩壓控制方法進行研究,指出了傳統雙環可控弱磁穩壓控制存在 dq 軸交叉耦合的問題。針對該問題,本文提出了基于電壓角度的弱磁穩壓控制方法,分析了基于電壓角度的弱磁穩壓控制的運行原理,并給出了基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統的穩定運行范圍。

永磁同步發電機PWM整流系統的控制探究
 
  
  然后,利用 MATLAB 仿真軟件對永磁同步發電機 PWM 整流系統進行了分析,驗證了雙環可控弱磁穩壓控制系統和基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統在寬功率范圍和寬轉速范圍穩壓發電的可行性與有效性,并比較了雙環可控弱磁穩壓控制系統和基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統的控制效果。同時,本文還比較了雙環可控弱磁穩壓控制系統在無解耦、前饋解耦以及 PI 解耦這 3 種控制方式下的控制效果。
  
  最后,完成了基于 TMS320F28335 數字控制芯片的發電機控制器軟硬件設計,并搭建了對拖臺架試驗平臺,實驗結果驗證了本文所提出的控制策略的正確性與有效性。
  
  關鍵詞:  永磁同步發電機 PWM 整流器 雙環控制 解耦控制 電壓 角度控制。
  
  Abstract
  
  PWM rectification system of permanent magnet synchronous generator (PMSG) has the advantages of low harmonic current, adjustable power factor, rapid dynamicresponse of DC voltage, and bidirectional flow of energy. It is widely used in ship power supply, special vehicle power supply, hybrid vehicle, new energy power generation and other fields. This paper takes the variable-speed PWM rectification system of PMSG as research object, adopts the combination of theoretical analysis,software simulation and experimental verification as the research route to study the control strategy of the PWM rectification system of PMSG. The specific contents are as follows:
  
  Firstly, this paper expounds the working principle of PMSG, establishes the mathematical model of rectification system under rotating coordinate system, andstudies the operating constraint condition of PMSG, which laid the foundation for the study of control strategies .
  
  Secondly, the vector control theory of PMSG are introduced. On this basis, the paper studied dual-loop flux-weakening control with steady voltage, and pointed out traditional method existing cross coupling of dq axes. In order to solve the problem,flux-weakening control based on voltage angle is proposed, and the stable operating range of the system is given.
  
  Thirdly, MATLAB is used to analyze PWM rectification system of PMSG, which verified that the dual-loop flux-weakening control system and flux-weakening control system based on voltage angle are stable in the wide power range and wide speed range.
  
  And the effect of two control method is compared. Meanwhile, this paper compared the effects of dual-loop flux-weakening control under three modes: decoupling,feedforward decoupling and PI decoupling.
  
  Finally, the hardware and software design of generator controller based on TMS320F28335 digital control chip are completed, and the platform for back-to-backtest is built. The experimental results verified the effectiveness of the proposed control strategy.
  
  Keywords:    PMSG PWM rectifier Double loop control Decoupling control Voltage angle control。
  
  第 1 章 緒論
 
  
  1.1 課題研究背景及意義。

  
  隨著經濟和科技的高速發展,能源的意義重大,它不僅是經濟發展的主要動力,而且是科技進步的前提。但是由于煤、石油、天然氣等不可再生能源的不斷開發消耗而引起的能源短缺問題嚴重影響著經濟和科技發展。為了解決能源短缺問題,各國學者致力于研究新能源發電技術如風力發電、地熱發電等,用風能、地熱能這些可再生能源來發電能有效地緩解能源短缺問題[1, 2]。一方面,要使這些可再生能源轉換為電能,需要通過發電機裝置來實現,由發電機裝置輸出的電能一般直接并網使用或者直接給其他用電設備供電使用[3, 4]。另一方面,在野外作業、車用電源、航空艦船、災區救援等電網無法到達的場合,為了滿足用電需求,在這些場合需要便攜式電源,而目前便攜式電源存在容量小,不能長時間供電的問題,不能有效地滿足用電需求,故在這些場合也需要使用發電機裝置來輸出電能,此時發電機裝置輸出的電能將在其他設備上使用,或存儲到儲能裝置[5]。
  
  在上述的電網無法到達、新能源發電等場合的發電機需要在轉速不恒定的情況下運行,而且通常發電機輸出為交流電,不能直接給用電設備使用,需經過整流器轉換為直流電,才能接入負載[6, 7],而發電機發出來電要并網,除了需要整流器還需經過逆變器才能并網[8]。目前,發電機主要有無刷直流發電機、開關磁阻發電機、交流異步發電機、永磁同步發電機(Permanent MagnetSynchronous Generator, PMSG)等類型。這些發電機的特點如表 1.1 所示。
  
  
  
  表格中‘√’表示發電機存在優勢的地方,可以發現永磁同步發電機具有轉速范圍寬、功率密度高和工作噪聲低等優勢。而且我國是已探明永磁材料釹鐵硼儲量最多的國家,對永磁同步發電機的推廣使用具有得天獨厚的優勢[9]。綜上所述,本課題以 PMSG 為研究對象。
  
  1.2 變速永磁同步發電機穩壓方式的研究現狀。
  

  永磁同步發電機的主磁場由永磁體形成的,不需要集電環和電刷裝置,故具有結構簡單、可靠性高的優勢,但 PMSG 還存在氣隙磁密較大、磁場難以調節的特點,只能借助調節轉速來調節 PMSG 的輸出電壓,這使 PMSG 的使用場合受限。因為永磁同步發電機輸出為交流電,在轉速保持不變后,PMSG 輸出交流電的頻率也保持不變,但其輸出電壓的幅值會隨著負載一起變化。因此為了給負載供電,永磁同步發電機輸出電壓還需經過整流裝置,才能得到幅值不變的直流電給負載供電。目前,PMSG 常用的整流裝置有:二極管不控整流加DC/DC 變換器[10-14]、晶閘管半控整流[15]、二極管不控整流加前級有源濾波裝置[16, 17]與 PWM 可控整流[18-21]。
  
  1)二極管不控整流加 DC/DC 變換器。
  
  二極管不可控整流具有結構簡單,經濟性優良等特點。由于永磁同步發電機輸出交流電與轉速有關,只經過二極管不可控整流裝置不能得到穩定的輸出電壓,還需要經過 DC/DC 變換器,才能使得不同工況下的輸出電壓保持穩定。
  
  二極管不控整流加 DC/DC 變換器示意圖如圖 1.1 所示。
  
  
  
  DC/DC 變換器一般在較高開關頻率下工作,在輸出側增加濾波電路效果好,電能品質高。但是當 PMSG 轉速波動比較大時二極管不可控整流的輸出電壓波動也比較大,為了得到穩定的直流電,要求 DC/DC 變換器能在較寬的輸入范圍內輸出穩定的直流電,這會增加電路的設計難度以及器件的選型。而且因為二極管不可控整流裝置的存在,PMSG 的相電流會存在比較多的五次諧波和七次諧波分量,使整個系統的損耗變高,嚴重的話,可能會導致永磁體失磁[22]。
  
  2)晶閘管半控整流。
  

  如圖 1.2 所示,永磁同步發電機在需要寬轉速運行的場合,若使用該整流方式進行發電需要考慮晶閘管觸發角的變化情況。永磁同步發電機轉速的運行范圍越寬,對晶閘管的要求就越高,增加了晶閘管選型的難度。而且隨著 PMSG的轉速升高,晶閘管半控整流輸出電壓的電壓紋波就越大,會影響整個系統的性能。
  
  
  
  3)二極管不可控整流加前級有源濾波裝置。
  
  如圖 1.3 所示,該整流方式為了滿足永磁同步發電機在高轉速也能進行穩壓發電的需求,會通過有源濾波裝置在永磁同步發電機的相電流中饋入直軸電流分量。因為有源濾波裝置只是單純用來饋入直流電流分量,故其對功率的要求比較低。有源濾波裝置會增加電路的設計難度,而且該整流方式還存在輸出電能品質差的缺點。
  
  
  
  4)PWM 可控整流。
  
  PWM 可控整流屬于全控型整流裝置,該整流裝置可以調節永磁同步發電機的相電流的幅值和相位,減小相電流中的諧波含量并調節 PMSG 的功率因數,提高發電效率。此外,PWM 可控整流還能實現電動和發電兩種狀態的控制[23-25]。
  
  與其他方式相比,采用 PWM 可控整流方式的 PMSG 系統具有明顯的技術優勢,故本課題中 PMSG 的整流方式采用 PWM 可控整流,其示意圖如圖 1.4 所示。
  
  
  
  【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】
 
  
  1.3 變速永磁同步發電機控制策略研究現狀

  1.3.1 PWM 整流技術研究現狀
  1.3.2 永磁同步發電機弱磁控制研究現狀
  
  1.4 本文的主要研究內容
  
  第 2 章 PMSG 整流系統運行原理及運行特性
  
  2.1 永磁同步發電機工作原理
  
  2.2 永磁同步發電機數學模型

  2.2.1 坐標變換技術
  2.2.2 三相坐標系下的數學模型
  2.2.3 dq 坐標系下的數學模型
  
  2.3 永磁同步發電機 PWM 整流器的數學模型
  
  2.4 永磁同步發電機運行約束

  2.4.1 電壓極限橢圓和電流極限圓
  2.4.2 MTPA 曲線和 MTPV 曲線
  
  2.5 本章小結
  
  第 3 章 永磁同步發電機 PWM 整流系統的控制策略
  
  3.1 永磁同步發電機矢量控制

  3.1.1 矢量控制的基本原理
  3.1.2 常用的矢量控制方法
  
  3.2 雙環可控弱磁穩壓控制
  3.2.1 傳統雙環可控弱磁穩壓控制
  3.2.2 基于前饋解耦的雙環可控弱磁穩壓控制
  3.2.3 基于 PI 解耦的雙環可控弱磁穩壓控制
  
  3.3 基于電壓角度的弱磁穩壓控制
  3.3.1 基于電壓角度的弱磁穩壓控制原理
  3.3.2 基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統穩定性分析
  
  3.4 空間矢量脈寬調制
  3.4.1 SVPWM 基本原理
  3.4.2 SVPWM 算法實現
  
  3.5 本章小結
  
  第 4 章 永磁同步發電機 PWM 整流系統的建模與仿真
  
  4.1 雙環可控弱磁穩壓控制系統的仿真分析

  4.1.1 雙環可控弱磁穩壓控制系統的建模
  4.1.2 雙環可控弱磁穩壓控制系統穩態仿真驗證
  4.1.3 雙環可控弱磁穩壓控制系統動態仿真驗證
  
  4.2 基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統的仿真分析
  4.2.1 基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統穩態仿真驗證
  4.2.2 基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統動態仿真驗證
  
  4.3 兩種弱磁穩壓控制系統對比分析
  
  4.4 本章小結
  
  第 5 章 控制系統實現及實驗分析
  
  5.1 控制系統硬件實現
  
  5.2 控制系統軟件實現

  5.2.1 主程序設計
  5.2.2 主中斷程序設計
  
  5.3 實驗結果與分析
  5.3.1 實驗平臺設計
  5.3.2 雙環可控弱磁穩壓控制系統實驗驗證
  5.3.3 基于電壓角度的弱磁穩壓控制系統實驗驗證
  5.4 本章小結

  第 6 章 總結

  永磁同步發電機 PWM 整流系統因為具有功率因數可調、發電機電流諧波分量小、能量可雙向流動、直流電壓動態響應快等優點,被廣泛應用于船舶供電、特種車輛供電、混合動力汽車以及新能源發電等領域,所以本課題對永磁同步發電機 PWM 整流系統的研究是具有重要的理論意義和實際應用價值的。本文的主要工作如下:

  1)推導了永磁同步發電機和 PWM 整流器在 dq 坐標系下的數學模型,并對永磁同步發電機的運行約束條件進行研究,為整流系統控制策略的研究奠定了基礎。

  2)對傳統雙環可控弱磁穩壓控制方法進行深入的研究與分析,針對其存在的dq軸交叉耦合的問題,提出了用前饋解耦和PI解耦兩種控制方式來解決問題。但由于這兩種控制方式存在局限性,又進一步提出了基于電壓角度的弱磁穩壓控制方法,并對該種控制方法進行穩定性分析,給出了穩定運行的范圍。

  3)搭建了永磁同步發電機 PWM 整流系統的仿真模型,對基于電壓角度的弱磁穩壓控制方法和雙環可控弱磁穩壓控制方法進行了仿真驗證,并比較了這兩種控制方法的控制性能。

  4)完成了永磁同步發電機 PWM 整流系統的軟硬件設計,介紹主要檢測電路和驅動電路以及主程序和主中斷程序的流程圖。最后在實驗平臺上,對雙環可控的弱磁穩壓控制系統和基于電壓角度的弱磁穩壓控制進行了實驗驗證。穩態實驗和動態實驗的結果都表明,基于電壓角度的弱磁穩壓控制和基于 PI 解耦的雙環可控弱磁穩壓控制都比傳統雙環可控弱磁穩壓控制的控制效果要好,具有良好的動態性能。

  參考文獻

    陳瑞培. 變速永磁同步發電機控制策略研究[D].華僑大學,2019.
      相關內容推薦
    相近分類:
    • 成都網絡警察報警平臺
    • 公共信息安全網絡監察
    • 經營性網站備案信息
    • 不良信息舉報中心
    • 中國文明網傳播文明
    • 學術堂_誠信網站
    快乐赛车开奖直播 金沙手机投注 678彩票网app下载 重庆时时最新开奖结果 信誉棋牌20可提现 买足球彩票任9的技巧 古剑奇谭网络版靠什么赚钱 飞禽走兽财神版概率 排列三坐标连线走势图 快乐10分选5中2个有奖吗 江苏快3和值技巧稳赚 11选5追号计划工具 10000炮捕鱼游戏机技巧