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矩阵变换器及在风力发电控制系统中的应用研究

作　者: 邹兵
导　师: 杨俊华
学　校: 广东工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 矩阵变换器无刷双馈风力发电机功率解耦控制反向传播(BP)神经网模型参考模糊自适应控制数字信号处理器(DSP) 复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制器
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

矩阵变换器是一种新型的功率变换器,具有的优点:(1)能同时提供正弦的输出电压和正弦的输入电流;(2)输入电流可调节为超前、滞后或同相于输入电压;(3)可实现输出幅值、频率和网侧功率因数的独立控制;(4)属于交-交直接变换,没有中间直流环节,能量可双向流动。研究了矩阵变换器的数学机理、拓扑结构、基本工作原理、换流问题,综合分析了矩阵变换器现有控制算法:Venturini直接法、瞬时双电压法、空间矢量调制法,并对各种控制算法进行了建模和仿真,分析和归纳各自的优缺点。采用矩阵变换器励磁的无刷双馈风力发电控制系统,是较理想的变速恒频发电方案,能否有效地实现系统有功功率和无功功率的解耦控制,是提高系统稳定性和实用性的关键,提出了基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制系统的能量研究方法。从两相坐标系出发,研究矩阵变换器的瞬时无功功率和有功功率,根据风力机最大风能捕获控制策略、无刷双馈电机的有功功率和无功功率的数学模型,提出基于反向传播(BP)神经网的功率控制方案。应用Matlab/Simulink建立了系统的仿真模型,仿真结果表明BP神经网功率解耦控制系统有快速的动态响应、较强的鲁棒性,能实现对整个系统的有功功率和无功功率的独立控制,从而验证了控制策略的有效性。在对矩阵变换器和无刷双馈电机进行分析研究基础上,提出了基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机模型参考模糊自适应控制策略。通过控制无刷双馈电机控制绕组的电压幅值、频率,为风力发电系统提供励磁。压频比控制器采用模型参考模糊自适应控制策略,对电机的转速和功率因数进行控制。应用Matlab建立了系统的仿真模型,仿真结果表明系统有快速的动态响应、较强的抗干扰性,验证了系统设计的正确性、可行性和稳定性,为进一步研究风力发电系统搭建了一个较好的研究平台,且能减少对电网的污染,是一种真正意义上的“绿色电源”。在理论研究的基础上,对矩阵变换器进行了实验研究,研制出一台功率为5kW的实验样机。样机包括硬件部分和软件部分:硬件部分是由主电路、缓冲电路、输入和输出电压检测电路、输出电流检测电路、数字信号处理器(DSP)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制器电路、ADS8364采样电路、PHILIP单片机控制面板电路;软件部分包括控制算法程序和换流程序。通过对矩阵变换器进行实验研究,实验结果验证了系统设计的正确性、可行性和稳定性,为矩阵式变换器的实际应用提供了实验基础。本文的研究工作得到国家自然科学基金重点项目(60534040):“分散式风力—太阳能发电系统的混合控制研究”,粤港关键领域重点突破项目(A10506003),广东省科技计划(A10502004)的资助。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
CONTENTS  12-15
第一章绪论  15-25
  1.1 课题的研究背景  15-19
  1.2 矩阵变换器的概述和研究现状  19-23
  1.3 矩阵变换器在风力发电控制系统中的应用  23-24
  1.4 论文的内容安排  24-25
第二章矩阵变换器的基本原理和控制算法  25-47
  2.1 引言  25
  2.2 矩阵变换器的拓扑结构  25-26
  2.3 矩阵变换器的数学建模  26-29
    2.3.1 双向开关的构成  26-27
    2.3.2 开关模型  27-29
  2.4 控制方法  29-40
    2.4.1 Venturini直接控制法  31-32
    2.4.2 空间矢量合成法  32-38
    2.4.3 双电压合成法  38-40
  2.5 换流问题  40-45
    2.5.1 四步换流  41-42
    2.5.2 两步换流  42-44
    2.5.3 四步换流和两步换流的比较  44-45
  2.6 本章小结  45-47
第三章基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制系统的能量研究  47-62
  3.1 引言  47
  3.2 无刷双馈电机的数学模型  47-53
  3.3 神经网络的基本理论  53-57
    3.3.1 神经网络的基本概念  53-54
    3.3.2 BP神经网络  54-57
  3.4 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制系统的能量研究  57-60
    3.4.1 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机的结构  57
    3.4.2 瞬时无功功率理论  57-58
    3.4.3 风力机  58-59
    3.4.4 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电控制系统的能量研究  59-60
  3.5 基于矩阵变换器励的无刷双馈风力发电控制系统能量研究的仿真研究  60-61
  3.6 本章小结  61-62
第四章基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机模型参考模糊自适应控制  62-73
  4.1 模糊控制  62-65
    4.1.1 模糊控制的基本原理  62
    4.1.2 模糊控制器  62-63
    4.1.3 一些模糊控制的知识点  63-64
    4.1.4 论域为离散时模糊控制的离线计算  64-65
  4.2 模型参考自适应控制  65-66
  4.3 无刷双馈电机的数学模型和压频比控制原理  66-67
  4.4 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机模型参考模糊自适应控制  67-70
    4.4.1 矩阵变换器的控制算法的选择  67-69
    4.4.2 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机模型参考模糊自适应控制的建模  69-70
  4.5 基于矩阵变换器的无刷双馈风力发电机模型参考模糊自适应控制的仿真研究  70-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章矩阵变换器的设计  73-89
  5.1 引言  73
  5.2 矩阵变换器的总体设计  73-74
  5.3 矩阵变换器的硬件设计  74-85
    5.3.1 主电路的设计  74-76
    5.3.2 缓冲电路的设计  76-78
    5.3.3 电流和电压检测电路的设计  78-79
    5.3.4 数字信号处理器(DSP)的设计  79-83
    5.3.5 复杂可编程逻辑器件(CPLD)的设计  83-84
    5.3.6 系统 PCB设计  84-85
  5.4 矩阵变换器的软件设计  85-87
    5.4.1 矩阵变换器控制算法的DSP软件设计  85
    5.4.2 矩阵变换器四步换流的CPLD软件设计  85-87
  5.5 矩阵变换器的实验研究  87-88
  5.6 本章小结  88-89
结论和展望  89-91
参考文献  91-98
攻读硕士学位期间发表论文  98-100
致谢  100

矩阵变换器及在风力发电控制系统中的应用研究

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