專利名稱：雙凸極電機的風輪機模擬器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風輪機模擬器及其控制方法，尤其涉及一種雙凸極電機的 風輪機模擬器及其控制方法。
背景技術(shù)：
風能是一種無污染、可再生綠色能源。開發(fā)風能，大力發(fā)展風力發(fā)電，對 于解決全球性的能源危機和環(huán)境危機具有重要意義。近幾十年來，風力發(fā)電技 術(shù)得到了飛速發(fā)展，變槳矩控制、變速恒頻發(fā)電、無齒輪箱直驅(qū)等眾多先進技 術(shù)從實驗室走向現(xiàn)場，得到了廣泛應(yīng)用。實驗室先期探討對風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展 起著重要的引導作用，伴隨著科研人員的艱辛探索，更多的新技術(shù)和新理論在 實驗室里被孕育和驗證。但是由于條件的限制，大多數(shù)實驗室不具備風場環(huán)境 或風輪機，或者由于頻繁進行風洞試驗的成本過于昂貴，使得風力發(fā)電系統(tǒng)開 發(fā)成本高，研制周期長，這為風力發(fā)電技術(shù)的實驗室研究帶來了很大的困難。 實驗室環(huán)境下風力發(fā)電技術(shù)研究迫切需要可以用來代替風洞和風輪機的模擬明-添。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種雙凸極電機的 風輪機模擬器及其控制方法。本發(fā)明雙凸極電機的風輪機模擬器，由雙凸極電機、主功率電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩個輸出端分別與IPM的 兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電機的三個輸入端連接，所 述控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、電流電壓采樣電路、位置檢測電路、 PWM控制電路、過流過壓保護電路、ADC模塊、轉(zhuǎn)速計算電路、邏輯控制電 路、轉(zhuǎn)矩觀測器、捕獲單元、轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器和風力機數(shù)學模型，其中故 障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接過流過壓保 護電路的輸入端，過流過壓保護電路的輸出端接邏輯控制電路的輸入端；電流 電壓采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，電流電壓采樣電 路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的兩個輸出端分別與轉(zhuǎn)矩觀 測器的兩個輸入端連接；位置檢測電路的輸入端與雙凸極電機的輸出端連接，
位置檢測電路的一個輸出端與捕獲單元的輸入端連接，捕獲單元的輸出端與邏 輯控制電路的輸入端連接連接，位置檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn)速計算電路 的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電路的輸出端分別與轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入端、風力機數(shù)學模型的輸入端連接；風力機數(shù)學模型的輸出端和轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出端分別與轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸入端連接，轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸出端通過滯環(huán)比較器與邏輯控制電路的輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離電路與IPM的 輸入端連接。雙凸極電機的風輪機模擬器的控制方法，采用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極 電機，采用位置檢測電路檢測雙凸極電機得到雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角仏將 雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角0經(jīng)過捕獲單元得到脈沖信號，將雙凸極電機的轉(zhuǎn)子 位置角0經(jīng)過轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度w;采用電流電壓采 樣電路采集雙凸極電機的三相輸入電壓和三相輸入電流，將采集的雙凸極電機 的三相輸入電壓和三相輸入電流經(jīng)過ADC模塊得到相電壓和相電流，將所述 雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度《>和ADC模塊輸出的相電壓和相電流通過轉(zhuǎn)矩觀測 器得到實時反饋轉(zhuǎn)矩7;，將所述雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度w和給定風速V經(jīng) 過風力機數(shù)學模型得到雙凸極電機的參考轉(zhuǎn)矩7T，將雙凸極電機的實時反饋轉(zhuǎn)矩 ;和參考轉(zhuǎn)矩7;依次經(jīng)過轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器得到階躍信號；采用故障檢測電路檢測IPM得到雙凸極電機的故障信號，將雙凸極電機的故障信號經(jīng)過過 流過壓保護電路得到高低電平信號；將所述脈沖信號、階躍信號、高低電平信 號經(jīng)過邏輯控制電路得到激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM的驅(qū) 動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的三相輸入電 壓和電流；其中轉(zhuǎn)矩觀測器的構(gòu)建包括如下步驟a) 采用轉(zhuǎn)矩觀測器接收所述轉(zhuǎn)速計算電路輸出的雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角 速度w, ADC模塊輸出的相電壓"p和相電流zp ， p為雙凸極電機三 相繞組中的一相繞組；b) 構(gòu)建電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程分別為p " df ，, 、、、+、 2 、 y" ^ ^ ，其中，A為相電阻，！^代表磁鏈，&,代表相磁鏈；^e代表勵磁磁鏈， ;為轉(zhuǎn)矩，T^為磁阻轉(zhuǎn)矩，7^為勵磁轉(zhuǎn)矩，zy為勵磁電流，斗為自感， 丄w為互感，0為轉(zhuǎn)子位置角；C)勵磁磁鏈與相磁鏈的比值為一常數(shù)"即& = ^ 及P得到相電壓為-<formula>formula see original document page 6</formula>當忽略繞組內(nèi)阻<formula>formula see original document page 6</formula>d)輸出轉(zhuǎn)矩為-，其中/。為a相繞組相電流，"。為a相繞組相電壓，4為b相繞組相電流，^為b相繞組相電壓，^為c相繞組相電流，^為c相繞組相電壓。本發(fā)明所述的雙凸極電機結(jié)構(gòu)簡單、出力大，因此在進行大功率或者較 大功率模擬實驗時，采用雙凸極電機的風輪機模擬器有利用簡化模擬系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)、降低成本。本發(fā)明可以利用人為風速給定來模擬風洞或風場條件下各種 風速模型，具有很大的靈活性，節(jié)省了風洞實驗的研究資金，縮短了風力發(fā) 電技術(shù)的研究周期。本發(fā)明利用風速和轉(zhuǎn)速求得風輪機特性，用來控制模擬 器的轉(zhuǎn)矩給定，采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)實現(xiàn)風輪機的模擬，為風輪機的前期設(shè)計節(jié)省 了研究時間，帶來了很大方便。


圖l:基于雙凸極電機的風輪機模擬器系統(tǒng)框圖； 圖2:模擬風電場條件下各種風速模型圖； 圖3:實際風輪機轉(zhuǎn)矩特性曲線圖； 圖4:模擬風輪機轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。
具體實施方式
如圖1所示。 一種雙凸極電機的風輪機模擬器，由雙凸極電機、主功率電 路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩個輸出端分別 與IPM的兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電機的三個輸入 端連接，所述控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、電流電壓采樣電路、位
置檢測電路、PWM控制電路、過流過壓保護電路、ADC模塊、轉(zhuǎn)速計算電路、 邏輯控制電路、轉(zhuǎn)矩觀測器、捕獲單元、轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器和風力機數(shù)學模 型，其中故障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接 過流過壓保護電路的輸入端，過流過壓保護電路的輸出端接邏輯控制電路的輸 入端；電流電壓采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，電流 電壓采樣電路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的兩個輸出端分 別與轉(zhuǎn)矩觀測器的兩個輸入端連接；位置檢測電路的輸入端與雙凸極電機的輸 出端連接，位置檢測電路的一個輸出端與捕獲單元的輸入端連接，捕獲單元的 輸出端與邏輯控制電路的輸入端連接連接，位置檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn) 速計算電路的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電路的輸出端分別與轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入 端、風力機數(shù)學模型的輸入端連接；風力機數(shù)學模型的輸出端和轉(zhuǎn)矩觀測器的 輸出端分別與轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸入端連接，轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸出端通過滯環(huán)比較器與邏輯控 制電路的輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離 電路與IPM的輸入端連接。雙凸極電機的風輪機模擬器的控制方法，采用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極 電機，采用位置檢測電路檢測雙凸極電機得到雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角仏將 雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角0經(jīng)過捕獲單元得到脈沖信號，將雙凸極電機的轉(zhuǎn)子 位置角^經(jīng)過轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度w;采用電流電壓采 樣電路采集雙凸極電機的三相輸入電壓和電流，將采集的雙凸極電機的三相輸 入電壓和電流經(jīng)過ADC模塊得到相電壓和相電流，將所述雙凸極電機的轉(zhuǎn)子 角速度w和ADC模塊輸出的相電壓和相電流通過轉(zhuǎn)矩觀測器得到實時反饋轉(zhuǎn) 矩t;，將所述雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度《>和給定風速V經(jīng)過風力機數(shù)學模型 得到雙凸極電機的參考轉(zhuǎn)矩7T,將雙凸極電機的實時反饋轉(zhuǎn)矩7;和參考轉(zhuǎn)矩7: 依次經(jīng)過轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器得到階躍信號；采用故障檢測電路檢測IPM得 到雙凸極電機的故障信號，將雙凸極電機的故障信號經(jīng)過過流過壓保護電路得 到高低電平信號；將所述脈沖信號、階躍信號、高低電平信號經(jīng)過邏輯控制電 路得到激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM的驅(qū)動信號用于控制IPM 輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的三相輸入電壓和電流；其中轉(zhuǎn)矩觀 測器的構(gòu)建包括如下步驟a)采用轉(zhuǎn)矩觀測器接收所述轉(zhuǎn)速計算電路輸出的雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度w, ADC模塊輸出的相電壓"p和相電流zp ， p為雙凸極電機三相繞組中的一相繞組；b) 構(gòu)建電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程分別為P"&' , ,e， 、 ^+ 2 、 Z, ^ ，其中，A為相電阻，^代表磁鏈，？^代表相磁鏈；？ ^代表勵磁磁鏈， ;為轉(zhuǎn)矩，7^為磁阻轉(zhuǎn)矩，7^為勵磁轉(zhuǎn)矩，^為勵磁電流，斗為自感， 7f為互感，^為轉(zhuǎn)子位置角；c) 勵磁磁鏈與相磁鏈的比值為一常數(shù)h即^ = ^.當忽略繞組內(nèi)阻i p得到相電壓為氣氣Wp、 &=(1 + "--^--= (1 + A:)--^ft)朋d/ 朋 轉(zhuǎn)矩為^-t^^^-1/2 + A:,. . . 、-X (/。 X M。 + ZA X MA + Zc X Mc )d)輸出轉(zhuǎn)矩為7>^±A-，其中/。為a相繞組相份電流，"。為a相繞組相電壓，4為b相繞組相電流，^為b相繞組相 電壓，^為c相繞組相電流，^為c相繞組相電壓。本發(fā)明提出的新型基于雙凸極電機的風輪機模擬器是由雙凸極電機、主 功率電路和控制電路三部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)與傳統(tǒng) 電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制方式不同，基于雙凸極電機的風輪機模擬器控 制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)雙環(huán)控制方式。通過采樣風速與風輪機模 擬器轉(zhuǎn)速，根據(jù)數(shù)字信號處理芯片軟件計算得到參考轉(zhuǎn)矩。設(shè)計實時轉(zhuǎn)矩 觀測器，通過采樣相電流、相電壓與風輪機模擬器轉(zhuǎn)子角速度，得到實時 反饋轉(zhuǎn)矩。最后通過參考轉(zhuǎn)矩與反饋轉(zhuǎn)矩比較，間接控制雙凸極電機電流 大小，以實現(xiàn)風輪機的模擬。如圖2所示，本發(fā)明采用正弦函數(shù)分別與常數(shù)、階躍函數(shù)、正態(tài)概率密 度函數(shù)疊加，模擬實際風場環(huán)境的隨機風、漸變風和隨機風，風速V在實 施前已經(jīng)經(jīng)過函數(shù)疊加模擬得到。圖3為實測風輪機特性曲線，風輪機特性指在不同風速和不同轉(zhuǎn)速下風
輪機的輸出功率或者輸出轉(zhuǎn)矩的變化特性。利用數(shù)字信號處理芯片來記錄 風輪機特性曲線，在不同風速模型、不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)過軟件查表計算求得風 輪機的參考輸出轉(zhuǎn)矩。基于雙凸極電機的風輪機模擬器模擬風輪機特性結(jié) 果如圖4所示。
本文提出DSEM新型轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制策略，即采用轉(zhuǎn)速外環(huán)，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的 新型雙環(huán)結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)加換向角度優(yōu)化方式抑制DSEM換向轉(zhuǎn)矩脈動 的方法。
權(quán)利要求
1. 一種雙凸極電機的風輪機模擬器，由雙凸極電機、主功率電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩個輸出端分別與IPM的兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電機的三個輸入端連接，其特征在于所述控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、電流電壓采樣電路、位置檢測電路、PWM控制電路、過流過壓保護電路、ADC模塊、轉(zhuǎn)速計算電路、邏輯控制電路、轉(zhuǎn)矩觀測器、捕獲單元、轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器和風力機數(shù)學模型，其中故障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接過流過壓保護電路的輸入端，過流過壓保護電路的輸出端接邏輯控制電路的輸入端；電流電壓采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，電流電壓采樣電路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的兩個輸出端分別與轉(zhuǎn)矩觀測器的兩個輸入端連接；位置檢測電路的輸入端與雙凸極電機的輸出端連接，位置檢測電路的一個輸出端與捕獲單元的輸入端連接，捕獲單元的輸出端與邏輯控制電路的輸入端連接連接，位置檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn)速計算電路的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電路的輸出端分別與轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入端、風力機數(shù)學模型的輸入端連接；風力機數(shù)學模型的輸出端和轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出端分別與轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸入端連接，轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸出端通過滯環(huán)比較器與邏輯控制電路的輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離電路與IPM的輸入端連接。
2. —種基于權(quán)利要求1所述的雙凸極電機的風輪機模擬器的控制方法，采 用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極電機，其特征在于采用位置檢測電路檢測雙凸極 電機得到雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角&將雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角0經(jīng)過捕獲 單元得到脈沖信號，將雙凸極電機的轉(zhuǎn)子位置角0經(jīng)過轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸 極電機的轉(zhuǎn)子角速度采用電流電壓采樣電路采集雙凸極電機的三相輸入電 壓和三相輸入電流，將采集的雙凸極電機的三相輸入電壓和三相輸入電流經(jīng)過 ADC模塊得到相電壓和相電流，將所述雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角速度《>和ADC模 塊輸出的相電壓和相電流通過轉(zhuǎn)矩觀測器得到實時反饋轉(zhuǎn)矩 ;，將所述雙凸極 電機的轉(zhuǎn)子角速度《>和給定風速V經(jīng)過風力機數(shù)學模型得到雙凸極電機的參考轉(zhuǎn)矩7T，將雙凸極電機的實時反饋轉(zhuǎn)矩z;和參考轉(zhuǎn)矩7r依次經(jīng)過轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器得到階躍信號；采用故障檢測電路檢測IPM得到雙凸極電機的故障 信號，將雙凸極電機的故障信號經(jīng)過過流過壓保護電路得到高低電平信號；將 所述脈沖信號、階躍信號、高低電平信號經(jīng)過邏輯控制電路得到激勵信號，將 激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM的驅(qū)動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電壓和 驅(qū)動電流即雙凸極電機的三相輸入電壓和電流；其中轉(zhuǎn)矩觀測器的構(gòu)建包括如 下步驟a) 釆用轉(zhuǎn)矩觀測器接收所述轉(zhuǎn)速計算電路輸出的雙凸極電機的轉(zhuǎn)子角 速度w, ADC模塊輸出的相電壓"p和相電流zp ， p為雙凸極電機三 相繞組中的一相繞組，三相繞組即a相繞組、b相繞組和c相繞組；b) 構(gòu)建電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程分別為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Rp為相電阻，Psip代表磁鏈，psipr代表相磁鏈；psipe代表勵磁磁鏈, Tp為轉(zhuǎn)矩，Tpr為磁阻轉(zhuǎn)矩，Tpe為勵磁轉(zhuǎn)矩，if為勵磁電流, Lp為自感， Lpf為互感，theta為轉(zhuǎn)子位置角；c)勵磁磁鏈與相磁鏈的比值為一常數(shù)k即k=psipe/psipr當忽略繞組內(nèi)阻Rp得到相電壓為<formula>formula see original document page 3</formula>轉(zhuǎn)矩為<formula>formula see original document page 3</formula>d)輸出轉(zhuǎn)矩為<formula>formula see original document page 3</formula>其中ia為a相繞組相電流，ua為a相繞組相電壓，ib為b相繞組相電流，ub為b相繞組 相電壓，ic為c相繞組相電流，uc為c相繞組相電壓。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種雙凸極電機的風輪機模擬器及其控制方法，屬風輪機模擬器及其控制方法。本發(fā)明雙凸極電機的風輪模擬器包括雙凸極電機、主功率電路和控制電路，其中主功率電路包括電源和IPM，控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、電流電壓采樣電路、位置檢測電路、PWM控制電路、過流過壓保護電路、ADC模塊、轉(zhuǎn)速計算電路、邏輯控制電路、轉(zhuǎn)矩觀測器、捕獲單元、轉(zhuǎn)矩環(huán)、滯環(huán)比較器和風力機數(shù)學模型。本發(fā)明所述控制方法采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)雙環(huán)控制方式，通過參考轉(zhuǎn)矩與反饋轉(zhuǎn)矩比較，間接控制雙凸極電機電流大小，以實現(xiàn)風輪機的模擬。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、出力大，可以模擬風洞或風場條件下各種風速模型，具有很大的靈活性。
文檔編號F03D9/00GK101393699SQ20081015587
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者波 周, 樂 張, 程方舜 申請人:南京航空航天大學