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小型垂直轴风力发电系统的研制

作　者: 黄锦成
导　师: 杨苹
学　校: 华南理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 垂直轴风力发电系统永磁同步发电机最大功率跟踪
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 303次
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内容摘要

随着技术进步,风力发电的成本不断降低,风电具备了大规模推广应用的商业价值。为了进一步降低风力发电系统的成本,风力发电系统的控制与优化成为了风力发电应用领域的热点课题。在此背景下,本文对小型垂直轴风力发电系统进行了较为深入的研究,以最大限度的利用风能,提高垂直轴风力机、永磁同步发电机及最大功率跟踪控制器的性能为主要目标,设计了小型垂直轴风力发电系统的总体方案,其中重点是发电机和最大功率跟踪控制器的设计与实现。论文主要工作如下:1、针对目前垂直轴风力发电系统中,发电机启动力矩较大,效率较低的缺点,提出低转速、低启动力矩及高效率永磁同步发电机的设计方案。在分析永磁同步发电机磁路原理的基础上,对永磁同步发电机的转子、定子、绕组及磁钢等部件的结构进行设计,并计算永磁同步发电机的磁路与结构参数。通过RMxprt软件对永磁同步发电机的参数进行优化分析,利用Autocad软件绘制永磁同步发电机的加工图纸并试制出试验样机。2、根据小型垂直轴风力发电系统的工作原理,建立小型垂直轴风力机、永磁同步发电机、不可控整流电路、Boost升压转换电路的数学模型。对应用在风力发电系统中的几种常见最大功率跟踪控制策略进行比较分析,针对如何提高小型垂直轴风力发电系统最大功率跟踪控制算法跟踪速度的问题,提出改进式最大功率跟踪控制策略,结合本系统设计的主电路对改进策略进行仿真实验。3、对小型垂直轴风力发电系统最大功率跟踪控制器的主变换电路、系统辅助电路、系统软件等进行设计,研制出小型垂直轴风力发电系统样机。4、通过搭建电机拖动实验系统,对1kW永磁同步发电机样机的耐压性能、启动性能以及在不同负载下的发电效率等性能指标进行测试。搭建了小型垂直轴风力发电系统最大功率跟踪控制器的硬件电路,并进行了实验调试。本文实现了研制目标,实验结果表明该系统能够有效降低垂直轴风力发电机的启动力矩,提高垂直轴风力发电机的风能转换效率,并实现了本文提出的控制方案所应完成的各项功能及性能指标,且控制方案简单可行。本课题来源于广东省绿色能源技术重点实验室项目:广东省科技计划项目(2010A010200004),广东省教育部产学研结合项(2009B090300424)。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题背景及意义  11-14
  1.2 垂直轴风力发电系统在国内外的发展状况  14-16
    1.2.1 垂直轴风力发电系统在国外的发展状况及趋势  14-15
    1.2.2 垂直轴风力发电系统在国内的发展状况及趋势  15-16
  1.3 本课题的主要研究内容  16-17
第二章小型垂直轴风力发电系统的总体方案设计  17-29
  2.1 风力发电系统的概述  17-19
    2.1.1 风力发电系统的基本原理及分类  17
    2.1.2 垂直轴风力发电系统的特点  17-18
    2.1.3 小型垂直轴风力发电系统的应用  18-19
  2.2 小型垂直轴风力发电系统的总体方案设计  19-20
    2.2.1 系统技术指标  19
    2.2.2 系统的实现方案  19-20
  2.3 小型垂直轴风力机的方案设计  20-23
  2.4 小型垂直轴风力发电机的方案设计  23-25
    2.4.1 小型垂直轴风力发电机的设计要求  23-24
    2.4.2 小型垂直轴风力发电机的选型  24-25
  2.5 小型垂直轴风力发电系统的控制器方案设计  25-28
    2.5.1 整流器  25-26
    2.5.2 DC/DC 升压转换电路  26-28
  2.6 本章小结  28-29
第三章小型垂直轴风力发电机的设计与实现  29-53
  3.1 永磁同步发电机的等效磁路分析  29-37
    3.1.1 永磁体等效磁通源或磁动势源  29-33
    3.1.2 外磁路的等效磁路  33-34
    3.1.3 永磁同步发电机的等效磁路  34-35
    3.1.4 主磁导和漏磁导  35-36
    3.1.5 漏磁系数和空载漏磁系数  36-37
  3.2 等效磁路的解析法分析  37-41
    3.2.1 等效磁路各参数的标幺值  37-38
    3.2.2 等效磁路的解析解  38-41
  3.3 永磁材料的选择  41-42
  3.4 永磁体尺寸计算  42-46
  3.5 定子冲片及绕组设计  46-47
  3.6 基于RMxprt 软件的永磁同步发电机参数优化分析  47-49
    3.6.1 RMxprt 软件介绍  47
    3.6.2 RMxprt 磁路法分析  47-49
  3.7 永磁同步发电机的试验样机试制  49-52
  3.8 本章小结  52-53
第四章小型垂直轴风力发电系统最大功率跟踪控制算法设计  53-72
  4.1 小型垂直轴风力发电系统的工作原理  53-55
  4.2 垂直轴风力发电系统的建模及仿真分析  55-60
    4.2.1 垂直轴风力机  55-57
    4.2.2 永磁同步发电机  57-59
    4.2.3 不可控整流电路和DC/DC 升压转换电路  59-60
  4.3 风力发电系统最大功率跟踪控制策略  60-62
    4.3.1 最佳叶尖速比查表法  60
    4.3.2 功率反馈查表法  60-61
    4.3.3 扰动观察法  61-62
  4.4 改进的风力发电系统最大功率跟踪控制策略  62-65
  4.5 本系统最大功率跟踪控制策略的仿真及分析  65-71
  4.6 本章小结  71-72
第五章小型垂直轴风力发电系统最大功率跟踪控制器的软硬件设计与实现  72-94
  5.1 垂直轴风力发电系统的硬件电路设计  72-86
    5.1.1 不可控整流电路设计  72-73
    5.1.2 DC/DC 升压转换电路设计  73-79
    5.1.3 缓冲电路设计  79-80
    5.1.4 驱动电路设计  80-82
    5.1.5 检测电路设计  82-86
  5.2 垂直轴风力发电系统的软件设计  86-93
    5.2.1 DSP 控制芯片选取  86-87
    5.2.2 控制系统软件总体设计  87-88
    5.2.3 主程序设计  88
    5.2.4 中断服务程序设计  88-93
  5.3 本章小结  93-94
第六章实验结果与分析  94-102
  6.1 永磁同步发电机的性能实验  94-98
    6.1.1 实验系统介绍  94-95
    6.1.2 实验结果与分析  95-98
  6.2 最大功率跟踪控制器的实验结果与分析  98-101
    6.2.1 驱动电路实验波形  98-99
    6.2.2 信号采样电路实验波形  99-100
    6.2.3 稳压调试实验波形  100-101
  6.3 本章小结  101-102
结论  102-104
参考文献  104-107
攻读硕士学位期间取得的研究成果  107-108
致谢  108-109
附件  109

小型垂直轴风力发电系统的研制

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