1 绪论
1.1 本文研究背景与意义
随着人类对不可再生能源的过度开采，开发新能源成为了人类社会愈加重视的话题。风能作为一种清洁的可再生能源，一直受到人类广泛的关注，并随着各项控制技术的发展将继续扩大对风能的利用[1,2]。由于自然风具有较强的随机性，风力机捕获产生的机械能最终将转化成恒频率的电能输送给电网，且任何风能利用系统都将会本着以低成本、高效率的原则，由此可以得出风力机中两个关键性的问题：变速恒频（VSCF）和最大功率追踪（MPPT）[3,4]。
MPPT 即风力机处在低于额定风速运行时，风轮桨叶要处在最佳叶尖速比opt 上，来保证系统的风能利用系数PC 处于最大值状态。要使风力机时刻处于最大功率点上，发电机端转速处于变速所产生的电能频率就会发生改变，若使用恒速型风力机则不能实现最大的风能捕获。因此，变速恒频风力机的研发使该矛盾得以解决，其方式主要是通过在发电机侧和电网侧加装变频系统，使得风力机满足最大风能捕获的同时实现恒频率输出。目前变速恒频风力机主要分为以下三种类型：双馈式发电机型、感应式发电机型和直驱永磁发电机型。但是以上传统类型的风力机都要经过造价昂贵的变频逆变装置来使电能并入电网，不仅对控制系统要求较高，还会对电网造成谐波干扰。如图 1-1 所示的一种新型混合驱动风力机[5]，研究结果表明，不仅可以实现了风能的最大捕获和变速恒频，还可以缓冲风速阶跃时系统产生功率波动，降低了传统型发电系统与电网间的产生的冲击载荷，提高了风电质量和风力机运行稳定性。
图 1-1 混合驱动型风力机结构简图
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1.2 研究现状
1.2.1 风力混合驱动发电系统研究现状
风力混合驱动发电一直受到国内外研究者的关注，SUN[6]等人提出了一种风力机与压缩空气储能的新型混合动力装置，如图 1-2 所示，该系统低于额定风速释放压缩的空气能量，高于额定风速时压缩空气储存能量。建立了完整的混合动力系统模型，研究了模糊控制器等相应控制策略，在系统遇到不同条件时进行能量转换效率分析，最后通过试验台验证了系统的有效性。在国内领域，2006 年穆安乐[5,7]等人率先开始了对风电混合驱动风力机的研究工作，通过建立增速差速系统动力学模型[8]，分析系统各转轴之间功率分配关系，在低于额定风速下通过控制伺服电机实现风电混合驱动系统的变速恒频和最大功率追踪[9]。黄冠雄[10,11]等提出一种并联独立可操控型传动机构，其结构原理图如图 1-3 所示，分析并计算了该系统的功率分会流以及轴端关系，并对该传动机构进行动力学分析，最后通过模拟实验验证所提机构的可行性，实现了变速恒频控制。邹阿配[12]对差动齿轮箱型混合驱动风力发电机建立了系统动力学模型，分析并设计了 PID 控制器，实现了最大功率点的追踪，达到了预期的控制目标。陈广庆[13]提出了了一种风浪能互补发电系统，利用杠杆模拟法确定了风浪能的动力耦合方式，搭建了风浪耦合互补发电平台，利用该装置实现了两种能量叠加，减少了能量间歇性，提高了风力发电的效率，实现了对风能和波浪能的综合应用。2012 年[14]等人提出一种特殊的无刷永磁电机，电机结构模型如图 1-4所示。其电机集成在磁功率分配装置上，利用有限元法分析了系统二维和三维模型，说明该混合动力装置具有高性能和高力矩输出的变速恒频效果。
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2 混合驱动型风力机特性分析及试验台模型建立
2.1 混合驱动型风力机组成与工作原理分析
混合驱动型风力机是一种新型的变速恒频风能机械系统。由于该类型风力机是具有两自由度的系统，因此存在功率分会流问题，且风力机系统中风速的实时性、风轮的气动特性以及差动齿轮箱的动力参数等对整个系统的可靠程度具有直接的影响[46,47]。因此，如何最大程度的模拟整个混合驱动型风力机系统的特性显得尤为重要。鉴于此，本章首先说明混合驱动型风力机变速恒频的实现原理；其次建立系统中各个部分模型，以模型为基础，分析混合驱动型风力机的特性，推导并确定风力机模拟系统中重要的参数；最后提出一种混合驱动型风力机模拟方案。
混合驱动型风力机简图如图 2-1 所示，系统主要由风轮、增速差速齿轮箱、主发电机以及调节电机组成。其工作原理为风轮在自然风的作用下，产生气动转矩，通过增速齿轮箱的作用产生一端动力。另一端动力由调节电机提供，其用于对风轮端转速的实时补偿，经过差动齿轮箱这种中间执行机构将动力合成，最终实现主发电机恒频率运行。根据上述的混合驱动型风力机系统搭建了试验模拟平台模型，其简图如图 2-2 所示，风轮模拟系统动力端用以模拟经增速齿轮箱增速后动力特性，负载模拟端用以模拟主发电机产生的负载。
图 2-1 混合驱动型风力机系统简图
2.2 风速特性分析与建模
自然风受海拔、气候以及地理位置等多方面的影响，因此建立良好且较为准确的风速模型，对实现混合驱动型风力机系统的模拟起着至关重要的作用。目前较为常用的的风速模型有 AR、ARMA、Raylish 和 Weibull 等[48,49]，但以上的这些风速模型中各自有着不同的适应领域，且在有着繁琐的参数估计方法，专用性较强。因此，本文建立的风速模型采用组合式的时域风速模型，该模型分为基本风、渐变风、阵风和随机风，能够较为准确的适用于混合驱动型风力机模拟系统。
混合驱动型风力机模拟试验台中，模拟端和调节端均采用鼠笼式三相异步电机。模拟端电机需准确模拟风轮的转矩和转速，调节端电机也需要对风速突变情况下模拟风轮的转速进行及时调节，以保证模拟试验台输出恒定的转速。因此，混合动力风力机试验台系统中，模拟端三相异步电机以及调节端三相异步电机的控制性能显得尤为重要。要使三相异步电机获得优良的调速性能，需从电机基础模型出发，研究电机调速控制算法[51,52]，以此来提高整个混合动力系统的准确性和可靠性。本章在建立三相异步电机模型和电机控制算法的基础上，利用 Matlab/Simulink 搭建风力机系统仿真平台。
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3 模拟试验台中异步电机的控制算法分析及总体仿真..............................21
3.1 三相异步电机数学模型的建立.........................................21
3.1.1 三相静止坐标系下异步电机模型........................21
3.1.2 三相异步电动机的控制算法.....................................23
4. 混合驱动型风力机模拟平台相关硬件设计................................41
4.1 试验台硬件总体架构分析..................................................41
4.1.1 混合动力模拟平台硬件保护电路设计..................................42
4.1.2 模拟端异步电机控制器总体分析.......................................44
5 模拟端电机驱动器软件设计与实验结果总体分析..............................55
5.1 DSP 开发环境 CCS6.0 简介.........................55
.2 主程序设计.................................56
5.3 中断子程序..........................................57
5 模拟端电机驱动器软件设计与实验结果总体分析
5.1 DSP 开发环境 CCS6.0 简介
CCS6.0 是 TI 公司针对其 C2000 系列工控芯片开发的嵌入式软件编译平台，具有一系列分析和在线仿真调试能力，为其开发者提供了基本的代码生成工具[75]，基于 CCS6.0 软件集成环境下的控制代码编写流程如图 5-1 所示。其中蓝色部分为 C 语言的开发环境，除此之外 TI 公司为强化开发过程为广大研发者设置了其他附加功能[76]。
图 5-1 CCS6.0 集成环境编译流程
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6 结论与展望
6.1 结论
本文对混合驱动型风力机模拟进行相关研究，利用 Matlab/Simulink 搭建了仿真平台模型，同时搭建了混合混合驱动型模拟试验平台，本文主要完成了以下工作：
（1）建立了混合动力型风力机模拟平台的相关模型。首先对复合式时域风速模型进行分析并仿真；建立了风轮模型，对风轮转化原理和 Betz 理论进行分析；引入差速比和功率比等参数，确定了混合驱动型风力机基准风速bv 和基准转速0A ，分析了全风速状态下系统功率流的状态变化；建立了差动齿轮箱模型，确定了三端之间的转速比和转矩比并提出了一种混合驱动型风力机最大功率点模拟研究方案。
（2）根据三相异步电机的 ABC 坐标系下数学模型，利用矢量坐标变换原理经 Clark变换和 Park 变换推导了 MT 坐标系下异步电机数学模型；在此基础上，分析了电机矢量控制和 SVPWM 算法原理，搭建了三相异步电机转子磁场定向矢量控制（转矩内环、磁链闭环）系统，并利用 Simulink 验证了电机矢量控制算法的稳定性；根据混合驱动型风力机系统模拟方案，搭建了风力机仿真
平台，结果表明，低于基本风速下的调节端电机功率占总功率的 10%以下，混合驱动型风力机系统具有变速恒频效果。
（3）设计了混合驱动型风力机模拟平台的硬件保护系统（执行部分、保护部分、控制部分和信号显示部分）；基于 TMS320F28335 芯片设计了模拟端三相异步电机驱动器控制板电路，包括最小组成电路（电源电路、复位电路、晶振电路、下载电路）、电源供电模块、通讯模块（SCI、IIC）、AD 采样模块；设计了信号采集电路，包括电流采集电路和转速采集电路。
（4）设计了模拟端异步电机控制器软件部分，在主程序设计基于分时复用状态环的异步电机矢量控制程序，包括各部分寄存器初始化、全局变量声明、状态监测、短路过流保护、上位机串口通信、外设指令信号采集等工作；中断子程序中设计了 ADC 采样模块、转速测量模块和 SVPWM 模块；对混合驱动模拟平台进行相关性能测试试验，分析了磁粉制动器与加载电流之间的关系，利用最小二乘法拟合了加载特性曲线；分析了模拟端异步电机驱动器的调速控制性能；模拟了基本风速和渐变风速下的混合驱动型风力机系统，通过仿真与试验数据对比，验证了所搭建系统的有效性和可行性。
参考文献（略）