毕业设计（论文）-直驱式风力发电机组自适应控制电路设计(软件).doc

湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目直驱式风力发电机组自适应控制电路设计（软件）作者学院信息与电气工程专业电气工程及其自动化学号指导教师二一一 年 六 月 十 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 信息与电气工程 学院 电气工程 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 学号: 0704010232 专业: 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 直驱式风力发电机组自适应控制电路设计（软件） 2 学生设计（论文）时间：自2011 年2 月 21 日开始至 2011 年 6 月 4 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：（1）现代电力电子技术；（2）数字信号处理；（3）单片机原理及应用； （4）电力系统分析；（5）自动控制理论；（6）有关并网逆变的参考文献；（7）现代控制理论 4 设计（论文）应完成的主要内容：（1）风力发电低电压穿越与正常发电时的工作状态分析； （2）直驱式风力发电A-D-A电路的构成与两种工作状态； （3）直驱式风力发电A-D-A电路的数学模型； （4）直驱式风力发电A-D-A电路的自适应控制算法； （5）直驱式风力发电A-D-A电路控制软件及调试。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）毕业设计论文字数在1.5万字以上，原理图、方框图符合规范，所有表格符合规范要求； （2）严格按毕业设计论文规范打印与装订； （3）按0号或1号图纸准备好毕业答辩图纸； （4）按时交毕业设计论文； 6 发题时间： 2011 年 2 月 21 日指导教师： （签名）学 生： （签名）摘 要风电是当前开发速度最快的可再生能源。根据欧洲风能协会关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图报告，期望并预测2020年全球风电装机容量将达1231 亿千瓦。按照国家中长期科学和技术发展规划纲要 (20062020年)规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到 2000万至3000万千瓦。随着风力发电从早期的蓄电池充电方式向并网型发展，一些与并网风力发电相关的技术课题亟待解决。本文着重解决直驱式风力发电中的低电压穿越问题。采用PWM整流器后接电压源型PWM逆变器拓扑结构的主电路，能够实现能量的双向流动，为低电压穿越提供基础。同时，通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，实现对发电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制。控制系统采用监督式结构，第一级是2个以DSP为核心的直接作用在2个变流器上的直接控制器，第二级是以16位单片机87C96KC为核心的负责2个直接控制器之间协调控制的上位机。控制算法采用的是自适应控制结合滑模控制的混合控制算法，自适应算法能有效的辨别系统的运行状态，并做出在正常发电状态与低电压穿越状态间转换的控制决策，而滑模算法具有较强的鲁棒性以及良好的动态品质，使得2种状态的转换过程能有良好的控制效果。编程语言采用汇编语言，汇编语言直接面向硬件，编制的程序代码短小，而执行的效率高，非常适应于控制系统的实时性要求。最后使用MATLAB仿真软件对算法进行仿真与分析，验证了其可行性。关键词：风力发电；直驱式；自适应控制；87C96KCABSTRACTWind power is currently the fastest developing renewable energy. According to the European Wind Energy Association, on wind power by 2020 to reach 12% of the total world electricity blueprint report, expectations and forecast 2020 global wind power installed capacity will reach 1.231 billion kilowatts. Accordance with the Long-term Scientific and Technological Development (2006-2020) plan, the next 15 years, the national wind power installed capacity will reach 20 million to 30 million kilowatts. With the wind from the early way to the battery charging and grid development, and some grid wind power related technical issues must be resolved. This focus on solving the direct drive wind power generation in the low voltage across the problem. Followed by PWM voltage source rectifier PWM inverter main circuit topology, enabling two-way flow of energy, provide the basis for the low voltage ride through. Meanwhile, vector control technology to control the generator running in a different environment, to achieve maximum torque of the generator, the maximum efficiency and minimum loss of control. Monitoring control system structure, the first level is two to the direct effect of DSP core in the two converter directly on the controller, the second stage is based on the core 16-bit microcontroller 87C96KC directly to the controller in charge of two coordinated control between the host computer. Control algorithm is sliding mode control adaptive control with hybrid control algorithm, adaptive algorithm can effectively identify the system running, and make in the normal state and the low voltage power through the control of decision making transitions between states, while the sliding algorithm has strong robustness and good dynamic performance, making the two kinds of state transition process can have a good control effect. Use of assembly language programming language, assembly language directly to the hardware, compiling the code short and efficient implementation, the control system is very suitable for real-time requirements. Finally, the simulation software using MATLAB simulation and analysis algorithms to verify its feasibility.朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords: Wind power; direct drive; adaptive control; 87C96KC 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目录第一章 概述11.1风力发电的意义11.2风力发电技术的现状11.3自适应控制技术在风力发电中的应用探索3第二章 直驱式风力发电系统的介绍42.1风力发电系统的工作状态分析42.2 直驱式风力发电系统A-D-A变流电路42.3直驱式风力发电系统技术指标5第三章 控制系统设计方案的选择63.1系统方案的选择63.2控制系统整体构成7第四章 直驱式风力发电机组软件系统设计94.1软件系统总体方案94.2主程序的设计9 4.2.1系统地址空间的分配9 4.2.2编程思路10 4.2.3主程序流程图104.3自适应控制子程序的设计11 4.3.1自适应算法的介绍11 4.3.2滑模算法的介绍12 4.3.3自适应控制子程序的编程思路144.3.4自适应控制子程序流程图144.4数据采集与处理子程序的设计164.4.1 8096系列单片的ADC介绍164.4.2 ADC的工作方式164.4.3软件滤波算法174.4.4标度变换174.4.5数据采集与处理的编程思路174.4.6数据采集与处理子程序流程图174.5通信子程序的设计18 4.5.1并口芯片8155的介绍18 4.5.2 8155的工作原理和编程思路19 4.5.3通信子程序流程图19第五章 直驱式风力发电系统的MATLAB仿真205.1 MATLAB仿真软件的介绍205.2仿真步骤与结果分析20参考文献23致谢24附件A：程序源代码25附件B：MATLAB仿真M文件33- 35 -第一章 概述1.1风力发电的意义随着世界能源的日趋匮乏和科学技术的飞速发展，加之人们对环境保护的要求，人们在努力寻找一种能替代石油、天然气等能源的可再生、环保、洁净的绿色能源。风能是当前最有发展前景的一种新型能源，它是取之不尽用之不竭的能源，还是一种洁净、无污染、可再生的绿色能源。而且蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一。我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226 GW，其中陆上可开采风能总量为253 GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000 GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3 m/s以上时间近4000 h，一些地区的年平均风速在67 m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距，风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外。2010年我国的风电累计装机容量达到2000万千瓦，2020年将达到1亿千瓦，也就是说从2011年到2020年将增加8000万千瓦，平均每年新增800万千瓦。风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家，风力发电在电网中占相当比重。国际市场风力发电成本不断降低，有些条件较好的风力发电场，机组发电成本仅为8美分/kWh，风场运行维修费为1.5美分/kWh。从当前世界风力发电情况来看，无论从风机容量投资、年发电量、运行费用及运行稳定性等指标衡量，200500 kW的中型风电机组都具有较大竞争力。1.2风力发电技术的现状目前主要的两类风力发电机是感应双馈异步电机和永磁直驱同步电机。前者定子连接电网，转子连接变流器，无需大功率变流装置; 后者无齿轮箱，低转速直接驱动，但需要大功率变流装置。风力发电技术主要体现发电机控制方式、变流器控制方式和机组控制算法。下面从发电机控制方式、变流器控制方式和机组控制算法三个方面分别给以介绍：（1）发电机控制方式：矢量控制是风力发电机的经典控制方式，此外还有直接转矩控制、复合控制等，并在此基础上衍生出一系列改进的控制技术。有基于无速度(位置)传感器的矢量控制技术，应用于感应电机和永磁电机控制。有基于多重化滑模观测器的矢量控制技术，这类控制方式通过设计观测器来估计转子位置或速度，将估计与控制相结合以改善功率控制精度，但实时性和抗干扰性偏低。有基于矢量控制的有功无功解耦控制;有通过构建电机的输入输出线性化模型，减弱了对电机参数的依赖性，以获得更快的动态响应及更好的动态解耦性能。（2）变流器控制方式：采用双PWM 变流控制是最常见的方式，可实现能量的双向流动和单位功率传输，其中PWM 整流器多采用直接电流控制。这方面的研究也有几个方向，有从变流器角度提出最大转矩电流比控制，以降低对变流器容量的要求;有针对变流器并联运行控制问题，研究各模块的监控及模块之间的数据通信和数据处理， 使得各模块的输出电压和电流保持严格同步。（3）机组控制算法：从机组控制器设计层面上，可将控制算法总体分为两类，经典控制算法和现代控制算法。经典控制算法指的是PID控制算法。PID控制器原理简单且当前多种工业PLC控制器(如SIEMENSS7- 300)集成了PID功能模块，实现方便，在控制领域得到广泛采用。风电机组中采用PI或PID控制器需要注意两点:其一，采取“积分器退饱和”措施防止积分器失效;其二，将PI或PID与现代控制算法结合，构成复合PID控制(如:模糊PID、神经网络PID、自适应PID等)，以弥补经典 PID不足，实现更优控制效果。此外一些算法基于风力最佳工作点的线性化模型，实现风速、转速、电功率反馈控制，适合于工作环境慢变、不确定性及干扰性较弱的风电系统控制。现代控制方法包括最优控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、非线性自适应控制及智能控制等。文献1利用鲁棒控制算法解决风电系统建模不确定性及随机风扰动问题，获得良好的鲁棒性和稳定性。文献2将几何方法与滑模方法相结合，设计了风电系统的多输入多输出抗扰控制器，同时实现转矩控制和最大化风能利用的控制目标。非线性智能控制算法是现代控制算法中受到广泛关注的一类。该类算法直接针对风电的复杂快变非线性动力学，利用变结构、自寻优、动态补偿等功能克服系统参数不确定性及非线性时变因素，实现高速高精度的控制目的。综上具有代表性的风机控制算法可见: 由于风电机组属于复杂非线性动力学系统，其应用地域广阔，环境复杂，不确定性强，目前尚未有集所有优点于一体的控制算法。我国近年在风电领域得到了持续的政策支持和研发投入，总体已掌握了定桨距风电机组设计技术，但对于机组大型化、高速高精度变桨、变速恒频等技术的自主化和产业化仍落后于发达国家甚至部分发展中国家。目前两方面问题值得关注:其一，变桨距或变速恒频风电机组自主化产品较少。目前我国在该机型的执行机构和控制器研究方面尚处于技术进口和借鉴阶段。国内多所大学和研究所积极参与相关研究并取得了一定成果。其二，在掌握大型机组动力学建模、载荷计算、控制系统设计和优化方面，仍有较大发展空间。1.3自适应控制技术在风力发电中的应用本文探索采用自适应控制与滑模控制相结合的控制算法对直驱式发电系统机组进行控制。自适应控制的提法可归纳为：在系统数学模型不确定的条件下，要求设计控制规律，使给定的性能指标尽可能达到及保持最优。为了完成以上任务，自适应控制必须首先要在工作过程中不断地在线辨识系统模型（结构及参数）或性能，作为形成及修正最优控制的依据，这就是所谓的自适应能力，它是自适应控制主要特点。在本文中，自适应的作用体现在辨识风力发电系统的状态，并据此选择合适的控制算法，在合适的时机进行切换。滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,且非线性表现为控制的不连续性. 这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。与传统的PWM控制相比，其优点是当变换器的输入或者负载大幅度变化时，系统仍能保持稳定以及具有鲁棒性和良好的动态特性。在本文中，滑模控制算法主要作用是实现系统在两种工作状态（正常发电状态和低电压穿越状态）之间迅速有效的过渡。第二章 直驱式风力发电系统的介绍2.1风力发电系统的工作状态分析一般说来，风力机的运行可以分成四个区域：（1）区域A：当风速小于风力机切入风速时， 由于此时的风能无法为风力机转子提供启动转矩，风力机不能转换电能。风力机与电网分离，风力机不工作；（2）区域B：当风速介于风力机切入风速和额定风速之间时，我们可以通过控制发电机转子，让其速度随风速变换，从而获得最大风能转换效率；（3）区域C：当风速介于风力机额定风速和切出风速之间时，过高的风速可能损坏风能转换系统，我们需要调节馈入系统的风能以保持风力机在额定功率的运行；（4）区域D：当风速超过切出风速时，风力机转子速度过高和转矩过大可能损坏系统，这时，我们需要强制停机。基于风力发电机四个工作区域，可将风力发电机组的工作状态分为低电压穿越状态和正常发电状态。当风力处于区域B和区域C时，发电系统处于正常发电状态可以向电网输送高质量的电能。而当风力处于区域A时，发电机输出的电压过低不能向电网馈能，此时大多数选择是将发电机从发电系统暂时的切除，待电压正常时再接入。但这样的操作将会对电力系统造成冲击，尤其当风能容量占电网总容量较大比例时，对电网的影响将更严重。另一种选择是让发电机组进入低电压穿越状态，即在风力处于区域A时，仍使机组保持与电网的联接。2.2 直驱式风力发电系统A-D-A变流电路风力发电系统的拓扑结构主要有两种，一种是采用二极管不控整流后接Boost升压稳压环节的电压源型逆变器型拓扑结构，另一种是采用PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构。图2.1 带有Boost升压稳压电路拓扑采用图2.1的主电路拓扑，通过Boost升压稳压环节将很好的控制后端逆变器的输入直流电压，即不管二极管不控整流的输出直流电压变化多大，通过Boost升压稳压电路后，其直流电压基本稳定，使后端逆变器调制度范围好，提高运行效率，减小损耗，同时，Boost电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。采用此拓扑结构的系统相对控制简单，控制方法灵活，且经济性好，一般用于大功率的直驱型发电机系统中。图2.2 PWM整流电路拓扑采用图2.2主电路拓扑，通过PWM可控整流技术，可以很好的处理发电机端的交流电压不稳，谐波较大和直流侧电压变化大的问题。而且由于整流器的特点可知，通过解耦控制，可以实现发电机的单位功率因数输出。同时，通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，实现对发电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制。因此，整个系统控制方法灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性。这种结构的主要缺点是，前端的PWM整流器会大大提高系统的成本。虽然能够提高系统的性能，但是在大功率工程中性价比不如上一种结构。因此，一般只有在小功率系统中采用。2.3直驱式风力发电系统技术指标电网电压：220/3相；电网电压频率：50Hz0.5Hz；整流器输出直流电压：DC24V；额定输出功率：300W；工作电源：取直流电源；风力发电机输出电压：28V/3相；风力发电机输出频率：50Hz；风力发电机额定输出功率：300W。第三章 控制系统设计方案的选择3.1系统方案的选择 微处理器具有体积小、功能强大，成本低、开发简单和安装调试容易的优点，非常适应于风力发电系统。因此，风力发电机组的核心控制器一般采用微处理器，常用有51系列单片机、96系列单片机、DSP数字处理器。（1）MCS-51系列单片机51系列单片机的出现是最早的，在工业控制领域的应用也是最早、最广泛的一种单片机。因此，有很多成功的工业应用案例可供借鉴，如此可大大缩短开发的周期，提高开发效率，并降低开发成本。但51系列单片机是8位的单片机，功能有限，尽管有许多厂商在80C51的基础上对其硬件做了很大的改进升级，其性能仍是有限。而且处理速度很慢，用汇编编程较繁琐。故不适合风力发电的控制系统。（2）MCS-96系列单片机MCS-96系列单片机是在MCS-51系列单片机的基础上设计的。相对于51系列来说，其软、硬件资源更为丰富，尤其是其CPU摒弃了累加器结构，而采用了寄存器寄存器结构，提高了操作速度和数据吞吐能力，还使编程更为简单；它具有更快的运算速度，更多的外围子系统，更高效的指令系统。主要特点包括以下几个方面：u 16位CPU，具有高速处理能力，没有累加器，采用寄存器寄存器结构，具有232字节的寄存器阵列；u 具有高效的指令系统，大大提高了编程效率；u 4/8通道的10位A/D转换器；u 脉宽调制PWM输出装置；u 全双工的串行口，并有专门的波特率发生器；u 高速的I/O系统；u 5个8位的I/O端口；u 可编程的8个优先级中断源；u 16位监视定时器；u 可动态配置的总线；u ROM/EPROM的内容可加密；u 2个16位的定时器/计数器，4个16位的软件定时器。（3）DSP数字处理器DSP是一种功能十分强大的微处理器，特别适用于复杂的数学运算和对实时控制要求很高的工业控制系统。其主要优点有：接口和编程方便； DSP系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响；精度高，16位数字系统可以达到10 -5的精度；数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。其不足之处在于：DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善；且价格较贵，开发成本高。在保证性能的基础上，结合降低开发成本和周期的原则上，对以上三种微处理器进行考察：51系列单片机功能有限，不适合做上位机；96系列的单片机功能强大，价格适中，开发成本低、周期也短；DSP具有很强的功能，但从经济层面考虑，则没有必要。综合以上分析，选择96系列单片机做为上位机微处理器。3.2控制系统整体构成由于此系统采用PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构。故采用监督式的计算机控制系统，由单片机担当上位机的任务，负责协调监管两个DSP控制器的工作。其基本结构如图 3.1 所示。图3.1 直驱式风力发电系统控制框图两个直接控制器皆是以DSP芯片为核心，分别控制发电机侧变流器与电网侧变流器。在系统正常的工作的状态下，发电机侧控制器的任务是实现高功率因数的整流，并维持直流侧电压的稳定；而电网侧控制器的任务则是最大功率的并网逆变，追踪电网的小范围变化，向电网提供高质量电能。低电压穿越时，接受上位机的控制，执行一系列的滑模算法，维持机组的并网运行。上位机采用16位的单片机87C196KC，负责监视系统的状态，及时适应环境的变化，出现故障时提供适当保护，给定控制器的给定值。单片机控制系统的方框结构图如图3.2所示。霍尔传感器采集系统信号，信号调理电路将信号调理成单片机可以处理的形式后输入P0口，单片机进行相应的A/D转换、滤波和标度变换等处理，得到的结果作为自适应控制算法的依据。单片机与DSP的通信则通过8155并口芯片来实现。图3.2 单片机控制系统方框结构图第四章 直驱式风力发电机组软件系统设计4.1软件系统总体方案整个直驱式风力机组软件控制系统由三大模块组成，2个DSP直接控制器模块和1个上位机监管模块。本文的主题是上位机监管模块的软件系统设计。本软件系统则是由4个子模块组成，分别为主程序模块、自适应控制模块、数据采集与处理模块和通信模块。主程序模块的主要功能是完成发电系统的启动过程，转入自适应控制过程及实现一些附属功能。自适应控制模块的功能是实现机组在正常状态和低电压状态之间适时有效的转换。它将运用数据采集与处理子程序得到系统的运行状态参数，通过自适应控制算法选择合适的控制算法，利用通信子程序传输给2个DSP控制器。数据采集与处理模块采用87C196KC自身的10位ADC转换器完成数据的采集，并采用软件滤波算法使数据更为可信，然后在完成标度变换后，存于片内RAM中供其它程序使用。通信模块采用的是8155并口芯片。8155具有操作简单，功能强的特点，很适合用近距离的板级通信。4.2主程序的设计4.2.1系统地址空间的分配在进行单片机汇编编程前，首先要了解并分配好地址空间，如下是本应用系统的地址空间的分配：（1）片内RAM的分配：001AH-002FH：定义为中间结果存放区；0030H-003FH：数据采集与处理专用区；0040H-004FH：通信数据专用区；00E0H以下：堆栈数据区。（2）EEPROM空间的分配：2080H起：主程序存放区；2400H起：自适应控制子程序存放区；3000H起：数据采集与处理子程序存放区；3800H起：通信子程序存放区。（3）I/O地址的分配：7E00H-7EFFH：并口芯片8155片内RAM空间；7F00H-7F05H；并口芯片8155各寄存器的地址。4.2.2主程序的编程思路主程序的第一部分是进行一系列的初始化操作，包括变量的定义、椎栈的设定和数据的装载。初始化完成后，开始进入发电机组并网发电的启动阶段，此阶段包括2个步骤：首先要让机侧变流器进行PI整流，对直流侧的蓄电池充电，并维持其稳定；然后使网侧变流器PI逆变向电网馈能。其中包括对数据的采集与处理、对转换条件的判断和与DSP的通信几个子步骤。4.2.3主程序流程图图4.1主程序流程图4.3自适应控制子程序的设计4.3.1自适应算法的介绍自适应控制指的是在系统数学模型不确定的条件下（工作环境可以是基本确定的或是随机的），要求设计控制规律，使给定的性能指标尽可能达到及保持最优。一般说来要实现自适应，必须首先要在工作过程中不断地在线辨识系统模型（结构及参数）或性能，然后以此为依据修正控制器的参数。在本文中，系统不断的采集系统的运行状态信息，包括发电机输出电压幅值、直流侧电压和网侧电压，据此判断系统的状态。一般的自适应算法只是修改控制器的参数，如增益，在该算法中则是通过选择不同类型的控制器来实现最优。控制器要执行的算法有传统的PID算法和现代的滑模变结构控制算法。永磁同步电机在静止-坐标系下的数学模型为： （4.1）其中：，其分量分别为定子和轴电流；，其分量分别为定子和轴电流；为反电势，为反电势常数，、分别为转子角速度和位置角；，Rs为定子电阻，Ls为定子电感。转子位置角可以根据以下计算得出： （4.2）其中：h为增益，sgn()为符号函数，和为观测值。转子估算角速度可以用模型参考自适应速度估计算法得到。首先，因为经过归一化处理可得到实时估计的反电势值 （4.3）相对于估计的反电势，角速度变化要缓慢得多，可以看作常量，从而有 （4.4）式中：。以式（4.4）为为自适应速度估计器的参考模型，则可调模型定义为 （4.5）式中：是可调模型的输出；是反馈回路增益，其目的是使可调模型收敛。当速度估算存在误差时，将导致归一化的反电势存在误差。由这一误差与可得到下的自适应律： （4.6）自适应算法的稳定性可通过Popov超稳定性理论得到证明当可调模型收敛后，收敛到零，从而估算角速度，最终收敛到实际角速度。4.3.2滑模算法的介绍滑模变结构控制(Sliding Mode Control，SMC)是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。它通过在不同控制结构（一般情况下不同的控制结构产生影响是相反的）之间的频繁切换，迫使系统按照预定“滑动模态”或“滑模”的状态轨迹运动。滑动模态的存在，使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能。目前已有研究证实滑模变结构控制在变流电路的有效应用。文献5提出一种基于滑模变结构的电压环非线性控制方案。采用一种新颖的-坐标系下的开关表设计方法，不仅可以取得良好的滑模算法动态响应特性，而且有效降低了开关频率。文献6文以三相逆变器为例，在建立其数学模型的基础上，通过使用SMVSC 和对其开关元件的“开”或“关”状态进行调制，获得良好的控制效果。（一）切换函数的确定三相 PWM 整流器的控制目标有2个：其一是实现整流器网侧高功率因数正弦波电流控制；其二是实现对整流器直流侧输出电压的控制。对输入功率因数的控制可转换成对输入无功电流的控制，即当输入无功电流为零时，整流器功率因数可达到1。对整流器直流侧输出电压的控制则转换为通过对有功电流的控制来实现。 式(4.7)中有2个输入控制变量，用来控制输出电压，用来实现单位功率因数。将 和作为输出变量，可得到该状态空间模型在稳态情况下的能控标准型： （4.7）其中： （4.8）滑模变结构控制的目标是：输入单位功率因数即无功电流为零，输出电压跟踪给定电压且动态为一阶过渡过程，这实际上是一个给定运动的跟踪问题。选择含有无功电流和直流侧电压偏差的变量函数作为滑模函数，为使系统具有较好的动态性能，将直流侧输出电压的一阶导数也作为滑模面变量。可得系统的切换函数为： （4.9）将式（4.8）代入可得： （4.10）式中含有时变变量和，故考虑将其进行线性化处理，并考虑到可得： （4.11）其中：代入式（4.10）中，可得： （4.12）令 （4.13）切换函数可简写成： （4.14）为便于进行控制律的选择，需进行坐标变换，得到在-坐标下的切换函数为： （4.15）（二）控制律的实现下面讨论如何选择控制规律使开关函数满足广义滑模条件。 当时，有，要满足广义滑模条件，需使，选择使增大即可；当时，有，要满足广义滑模条件，需使，选择使减小即可。同理，对也采用同样的策略。上述目的可通过非线性环节滞环控制实现，当电流偏差超越滞环宽度时，主电路功率开关管切换，并迫使电流偏差减小。4.3.3自适应控制子程序的编程思路本文中自适应控制子程序是由三个过程循环组合而成，分别是进入低电压穿越状态、退出低电压穿越状态和返回正常发电状态。这三个过程同时对应着2个变流器的三对控制算法，滑模无功功率发生器算法与滑模整流算法、滑模整流算法与滑模逆变算法以及PI整流算法与PI逆变算法。而这三个过程转换的时机则由三个基于系统状态的判断条件来决定。特别要说明的是，在系统返回PI控制算法前要确保滑动模态已较稳定，为此设计了一个连续判断子程序，只有连续的一段时间内系统都符合条件才启动转换。4.3.4自适应控制子程序流程图图4.2自适应控制子程序流程图图4.3连续判断子程序流程图4.4数据采集与处理子程序的设计4.4.1 8096系列单片的ADC介绍96系列的单片机的A/D转换器为8通道10位逐次逼近式。A/D转换器的输入为多路单通道结构，由多路模拟转换开关实现对外部8路模拟输入信号的转换控制，并具有采样保持电路，保证了转换的可靠性。主要特性与参数：转换精度：5；AD的分辨率：；转换时间：因转换周期为88个，故在12MHz时钟下22,6MHz时钟下44；被测电压计算：。4.4.2 ADC的工作方式A/D的启动方式有两种，第一种是通过写AD_COMMAND寄存器来选择和启动，第二种是通过HSO部件来实现。当需要定时采样，使HSO方式更方便些，一般情况下则通过写AD_COMMAND寄存器实现。同一般的A/D转换器一样，可以在转换完成时引发中断，也可以查询AD_COMMAND寄存器。此外，因为是10位转换器，所以转换结果要分两次读取，并需要进行右移位操作。4.4.3软件滤波算法由于工作环境比较恶劣，干扰源较多，模拟输入量经A/D转换后，还需要进行软件滤波。常用的滤波算法有限幅滤波法（又称程序判断滤波法）、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）、限幅平均滤波法。算术平均滤波就是连续采样N次，把N次的采样结果的算术平均值作为本次滤波器的输出，其计算公式为： （4.16）式中：本次滤波输出；第个采样值（1,2,n）.4.4.4标度变换由于采集的各个参数都有着不同的量纲，这些经A/D转换而成的数字量仅仅代表参数值的大小，并不带有原量纲的参数值，需要进行标度转换。对于线性参数的标度转换的公式为： （4.17）式中：测量装置的下限；测量装置的上限；转换后的实际值；测量装置下限对应的数字量；测量装置下限对应的数字量；测量值对应的数字量。4.4.5数据采集与处理的编程思路数据采集与处理子程序由三个部分组成，首先，逐个启动3个模拟输入通道的AD转换进行几轮采集，并将结果相加。因转换结果是10位的，而存储空间为16位，故不必担心会溢出。然后将几次累加的结果取平均值，即软件滤波。最后，对3个数字量进行标度变换。为节约时间，这三个步骤采用了类似“流水线”的编程技巧。4.4.6数据采集与处理子程流程图图4.4数据采集与处理子程序流程图图4.5 A/ D转换控制子程序流程图4.5通信子程序的设计4.5.1并口芯片8155的介绍8155是一种多功能的外围芯片，共有40个引脚，采用双列直插式封装。包括两个8位并行输入/输出，一个6位并行输入/输出端口，256个字节的静态随机存取存储器RAM，一个地址锁存器，一个14位的定时器/计数器以及控制逻辑电路，各部件和存储器地址的选择由IO / M信号决定。8155按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位地址由片选线提供。8155的3个P口的工作方式为基本I/O方式或选通I/O方式，工作方式的选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字来实现。8155内还有一个状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。4.5.2 8155的工作原理和编程思路本文中PA口和PB口的采用选通工作I/O方式，PC口采用基本I/O方式，作为控制线为PA口和PB口服务。这种方式下，需要软件和硬件的协调工作。当进行要输出操作时，先要写控制字使PA或PB处于选通I/O工作方式；CPU输出数据至8155的锁存器中，一旦输出锁存器满，则使得BFA或BFB0，通知外设数据已准备好；外设取走数据，发出应答信号STBA或STBB0,使得BFA或BFB1，INTRA或INTRB1，向CPU发出中断请求，新一轮数据输出开始，直至完成。4.5.3通信子程序流程图图4.6 通信子程序流程图第五章 直驱式风力发电系统的MATLAB仿真5.1 MATLAB仿真软件的介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB中各种命令可以完成许多单一的任务，对于某些较为复杂的问题，仅靠现有的命令或函数来解决，往往是难以达到目的 。为此，要运用MATLAB编程语言编制程序，形成M-文件。程序是使计算机完成各项运算的命令集，运行一个编制好的程序，计算机会从第一条命令行开始，一行接一行地执行相应的命令，直到终止。程序一般包含：数据输入，数据处理和结果输出三部分，其中数据处理是核心。程序编写调试完成后，需要存盘，形成永久性文件，可以随时对它进行调用或修改。文件名以字母开头，但不能用专用变量名，如pi等。MATLAB中每一个命令都是一个M-文件。5.2仿真步骤与结果分析（1）首先将控制算法写成M文件（具体内容见附件2）的形式，M文件中包含有绘图语句。通过这几条绘图语句可以完整的反映出几个关键变量在仿真过程中的变化。（2）装入M文件，点击“执行”图标，根据提示排除掉错误后，将完整的执行M文件，并得到如图5.1、图5.2和图5.3所示的结果。（3）关于转速自适应在线辩识的分析因风速的不确定性，为较真实的模拟现实情况，故给定的发电机的转速为：常数8加上幅值为0.5的正弦波后形成的曲线值。图5.1所示为发电机真实转速与自适应在线辩识的观测值的比较，下面的曲线为真实的转速，上面的线是能过自适应在线辩识所得，虽具有一定的振荡性，但辩识值仍能较好的跟随转速的变化。图5.1 发电机真实转速与自适应在线辩识的观测值（4）关于滑模变控制算法的分析当处于低电压穿越状态时，机侧变流器采用的是滑模变结构控制算法，在-坐标下的切换函数为分别为和。当进入滑模状态时，和将在滑模面（0）的附近振荡，这是由滑模控制算法的本质所决定的。图5.2 轴电流的滑模面函数的变化曲线图5.3 轴电流的滑模面函数的变化曲线综合以上分析可知，自适应算法的在线辩识设计简单且容易实现，能够有效的观测转子转速的变化。滑模变结构控制有其它固有的缺陷难以消除的振荡，但它有显著的优点能迅速的跟踪给定值，具有很好的抗扰动性。总之，结合自适应在线辩识与滑模变结构控制能够满足直驱式风力发电系统的要求。参考文献1 Guo H C,Guo Q D.H Control of variable-speed adjustable-pitch windturbine adjustable pitch SystemC.ICEMS,2003,1:266-269.2 Valenciaga F,Puleston P F,Spurgeon S K.A geometric approach forthe design of MIMO sliding controllers:application to a wind driven dou-bly-fed induction generator J. International Journal of Robust and NonlinearControl,2009,19:22-39.3 李建林,许洪华等.风力发电中的电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社, 2008.4 李建林,许洪华等.风力发电系统低电压运行技术M.北京:机械工业出版社,2009.5 黄雷,赵光宙,贺益康.PMSM的自适应滑模观测器无传感器控制J.浙江大学学报, 2007,41(7):1107-1110.6 黄凯征,汪万伟,王旭.基于滑模控制的PWM整流器建模与仿真J.电网技术,2009, 33(8):18-23.7 赵立民,胡庆,张欣.滑模变结构控制在三相逆变器中的应用J.沈阳工业大学学报, 2003,25(4):306-309.8 杨勇,阮毅等.直驱式风力发电系统中的并网逆变器J.电网技术,2009, 33(17):157-161.9 熊亮,邹轩.直驱式风力发电系统的控制方法研究J.电测与仪表,2007, 40(530):31-34.10 张宪平.直驱式变速恒频风力发电系统低电压穿越研究J.大功率变流技术, 2007(4):1-4.11 陈宝江,翟涌等.MCS单片机应用系统实用指南M.北京:机械工业出版社,1997.12 海涛.8096单片机原理及应用M.重庆:重庆大学出版社,2003.致 谢时间如梭，转眼毕业在即。回想在大学求学的四年，心中充满无限感激和留恋之情。感谢母校为我们提供的良好学习环境，使我们能够在此专心学习，陶冶情操。在这里，谨向我的论文指导老师吴新开教授致以最诚挚的谢意！没有吴老师的指导与督促，我很难完成这一论文。吴老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都深深地感染和激励着我。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。在这里，我还要感谢大学四年所有