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1、河北工业大学 硕士学位论文 无刷双馈风力发电系统数据采集与预测的研究与设计 姓名：高美卿 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘艳萍 2011-03 河北工业大学硕士学位论文 i 无刷双馈风力发电系统数据采集与预测的研究与设计无刷双馈风力发电系统数据采集与预测的研究与设计 摘摘 要要 随着世界经济的飞速发展，资源环境和能源枯竭问题已变得日益严峻，各国都积极开发 和利用各种可再生、无污染、低成本的新能源。风能系统特别是风力发电系统的研制与开发 已成为新能源技术领域的研究热点，其中无刷双馈风力发电机组，通过对双风轮进行变桨距 控制， 可以实现该机组的变速恒频， 此先进的变桨距控制技
2、术成为风力发电技术的研究重点。 本文对无刷双馈风力发电机组的变桨距系统进行了分析，提出了支持向量回归机算法预 测桨距角的方法，并设计了 DSP 控制的高速数据采集系统。 设计中，主要运用支持向量回归机（SVR）算法，即支持向量机中的回归分析技术，选 择合适的核函数，针对有限样本情况设计出最佳的回归拟合曲线，从而得到任何风速数据下 的最佳桨距角数据，并利用 MATLAB 工具进行了训练和预测的仿真检验。应用结果表明， 此算法比以往的神经网络算法的精度更高，泛化能力更强，可提高整个变桨距系统的控制精 度和效率。 风速数据采集方面，系统采用 DSP 采集预测数据，其核心运算单元为 TI 公司的 DS
3、P TMS320F28335 芯片。风速信号经过风速传感器后，将得到的模拟信号经过模数转换输入给 DSP 系统。外围电路包括系统的供电电源电路、复位电路、DSP 的 ADC 部分、存储部分、 RS-232 接口部分和 DSP 的扩展接口部分的设计，并设计了主要风速信号采集电路的软件流 程，初步达到了设计目的。 关键词：关键词：无刷双馈，桨距角，支持向量回归机，DSP，数据采集 无刷双馈风力发电系统数据采集与预测的研究与设计 ii STUDY AND DESIGN ON DATA ACQUISITION AND PREDICTION FOR SYSTEMS OF BRUSHLESS DOUBLY
4、-FED WIND TURBINE ABSTRACT With the prompt development of the world economy, the problem of the resources, environment and the power sources is getting worse and worse. Countries are all working at development and making use of the new resources, which is renewable, unpolluted and low cost. The stud
5、y and development of the wind power system especially wind power generation system is a hot topic in the new energy territory. Wind Power Generation System with Brushless Doubly-Fed Generator can realize variable speed by controlling variable pitch of the double-driver wind generators, and this adva
6、nced technology has been the study point. The variable pitch system of the brushless doubly-fed energy is analyzed, and Support Vector Regression, SVR is for shot, algorithm is put forward to predict pitch angel, and System of the high speed DSP controlling Data Acquisition is designed in this paper
7、. SVR algorithm is used, including the regression analysis and the choosing of proper kernel function, and the best pitch angle is designed in every wind speed for the limited samples. The MATLAB is used to simulate and checkout the sample data of training and prediction. The result indicates that t
8、he accuracy of this algorithms is better than the past neural network algorithms, for Generalization ability is getting better, improving the controlling accuracy and the efficiency of the whole system. DSP is used to collect data of wind speed, and the core unit is TMS320F28335 of TI. Through wind
9、speed sensor, the wind speed signal is analog, witch is input to ADC, and in witch the digital signal that is given to DSP is translated. Peripheral circuit include design of power supply circuit, reset circuit, ADC part of the DSP, storage part, RS-232 interface part and interconnect portion, and s
10、everal Software design processes of the main circuit are designed in this paper, initially reach the design purpose. KEY WORDS: brushless doubly-fed，pitch angle，SVR，DSP，data acquisition 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本
11、论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内 容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学 校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： i
12、ii 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 课题的研究背景与意义课题的研究背景与意义 随着世界经济的飞速发展，当今人类赖以生存和发展的资源环境和能源枯竭问题已变得日益严峻， 煤、石油、天然气等常规能源不仅是地球上的不可再生资源，而且造成了很大程度的大气污染，严重破 坏生态环境，各国都积极开发和利用各种可再生、无污染、低成本的新能源。风能系统特别是风力发电 系统的研制与开发已成为新能源技术领域的研究热点， 变桨距控制、 变速恒频等先进技术是风力发电技 术的研究重点， 其中无刷双风轮直驱风力发电系统采用直驱型发电机组， 通过对双风轮进行变桨距控制， 可以实现该机组的变速恒频
13、。 近年来随着电力资源在日常生活和工作中的广泛应用， 风力发电借助其不 需燃料、成本低、无污染的优点，在电力领域具有非常广阔的前景，特别是在风力资源丰富的地区，就 地用电可节省大量的输电设备和能源。 利用风力可以减少对大气的污染， 在保护人类赖以生存的自然环 境方面，具有巨大的商业潜力和环保效益。因此，大力的开发利用可再生能源，特别是开发利用风能， 受到了全球各国的高度重视。 风力发电是风能利用的主要方式，并网运行的风力发电机组单机容量由起初的千瓦级发展到兆瓦 级，控制方式上，由于恒速恒频的风力发电机的风轮转速只是工作在一个确定的速度上，而风力的大小 不是确定的， 随着气候变化气流大小也发生忽
14、大忽小的变化， 此时风力发电机的工作效率不能达到最好， 所以造成了风能的大大消耗， 从而使风力发电机的功率严重降低。 要想在不同的风速时捕捉到尽可能大 的风能，就必须依据风速的大小来实时改变风力发电机的转子速度，使用变速恒频的方法，让其保持工 作在最优状态，进而优化了风力机的运行条件，提高了发电机组的效率，因此，控制上也从起初的单一 定桨距失速控制向全桨叶和变速恒频方向发展， 预计智能型风力发电机组将在近几年推出， 并且风力发 电机组在风电场运行时可全部实现远程控制和集中控制1。 在定子上有一套控制绕组是无刷双馈风力发电机不同于普通的感应发电机的地方， 当需要调节转子 速度时， 能够相应的通过
15、改变控制绕组上的电流频率大小实现， 无刷双馈风力发电机的励磁电流幅值大 小可以调节， 励磁频率大小可以调节， 电流的相位也能调节。 调速时可以通过改变励磁频率大小来实现， 因此在发电机负荷改变时，可以通过立即调节发电机的转子转速，利用转子的动能变化，来增加或减小 电机负荷，可以减轻对电网的扰动；其次对发电机转子电流的幅值大小和相位的调节，也能够实现调节 有功功率和无功功率的目的， 因此无刷双馈风力发电机不但能够进行有功功率的调节， 还可以进行无功 功率的调节，利用改变励磁电流的相位，来使风力发电机组的功率角减小，令发电机组工作起来更加稳 定，在夜晚电机负荷降低电网的电压较高时，通过将无功功率减
16、小来解决这一问题。因此跟同步发电机 和感应发电机比较起来无刷双馈风力发电机的工作性能更占优势，工作原理跟有刷双馈异步电机近似， 最主要的不同就是没有了电刷， 无刷双馈风力发电机具有其他传统发电机的各种优点， 能够调节电机转 子速度以及功率因数，适合用在频率恒定的变桨距风力发电系统中2。 大力发展风力发电具有极其重要的意义， 既有利于我国能源结构的调整， 减轻我国面临的电力资源 无刷双馈风力发电系统数据采集与预测的研究与设计 2 危机，又有利于减少污染气体的排放进而缓解环境污染问题，同时还有利于减少能源进口方面的压力， 对提高我国能源供应的多样性和安全性做出积极的贡献。 变桨距控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制 系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨距控制已成为 当前兆瓦级风力发电机组控制技术研究的热点和难点
