畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自適應(yīng)控制電路設(shè)計(jì)(軟件).doc

湖 南 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）題目直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自適應(yīng)控制電路設(shè)計(jì)（軟件）作者學(xué)院信息與電氣工程專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師二一一 年 六 月 十 日湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 信息與電氣工程 學(xué)院 電氣工程 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學(xué)生姓名: 學(xué)號(hào): 0704010232 專業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自適應(yīng)控制電路設(shè)計(jì)（軟件） 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自2011 年2 月 21 日開始至 2011 年 6 月 4 日止3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：（1）現(xiàn)代電力電子技術(shù)；（2）數(shù)字信號(hào)處理；（3）單片機(jī)原理及應(yīng)用； （4）電力系統(tǒng)分析；（5）自動(dòng)控制理論；（6）有關(guān)并網(wǎng)逆變的參考文獻(xiàn)；（7）現(xiàn)代控制理論 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：（1）風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越與正常發(fā)電時(shí)的工作狀態(tài)分析； （2）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電A-D-A電路的構(gòu)成與兩種工作狀態(tài)； （3）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電A-D-A電路的數(shù)學(xué)模型； （4）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電A-D-A電路的自適應(yīng)控制算法； （5）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電A-D-A電路控制軟件及調(diào)試。 5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：（1）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文字?jǐn)?shù)在1.5萬(wàn)字以上，原理圖、方框圖符合規(guī)范，所有表格符合規(guī)范要求； （2）嚴(yán)格按畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印與裝訂； （3）按0號(hào)或1號(hào)圖紙準(zhǔn)備好畢業(yè)答辯圖紙； （4）按時(shí)交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 6 發(fā)題時(shí)間： 2011 年 2 月 21 日指導(dǎo)教師： （簽名）學(xué) 生： （簽名）摘 要風(fēng)電是當(dāng)前開發(fā)速度最快的可再生能源。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的藍(lán)圖報(bào)告，期望并預(yù)測(cè)2020年全球風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)1231 億千瓦。按照國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (20062020年)規(guī)劃，未來15年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到 2000萬(wàn)至3000萬(wàn)千瓦。隨著風(fēng)力發(fā)電從早期的蓄電池充電方式向并網(wǎng)型發(fā)展，一些與并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的技術(shù)課題亟待解決。本文著重解決直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電中的低電壓穿越問題。采用PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主電路，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，為低電壓穿越提供基礎(chǔ)。同時(shí)，通過矢量控制技術(shù)來控制發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最大效率、最小損耗控制?？刂葡到y(tǒng)采用監(jiān)督式結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是2個(gè)以DSP為核心的直接作用在2個(gè)變流器上的直接控制器，第二級(jí)是以16位單片機(jī)87C96KC為核心的負(fù)責(zé)2個(gè)直接控制器之間協(xié)調(diào)控制的上位機(jī)。控制算法采用的是自適應(yīng)控制結(jié)合滑?？刂频幕旌峡刂扑惴ǎ赃m應(yīng)算法能有效的辨別系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并做出在正常發(fā)電狀態(tài)與低電壓穿越狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的控制決策，而滑模算法具有較強(qiáng)的魯棒性以及良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，使得2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程能有良好的控制效果。編程語(yǔ)言采用匯編語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言直接面向硬件，編制的程序代碼短小，而執(zhí)行的效率高，非常適應(yīng)于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。最后使用MATLAB仿真軟件對(duì)算法進(jìn)行仿真與分析，驗(yàn)證了其可行性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)式；自適應(yīng)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.朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音字典Keywords: Wind power; direct drive; adaptive control; 87C96KC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄第一章 概述11.1風(fēng)力發(fā)電的意義11.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀11.3自適應(yīng)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用探索3第二章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的介紹42.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)分析42.2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)A-D-A變流電路42.3直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)5第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇63.1系統(tǒng)方案的選擇63.2控制系統(tǒng)整體構(gòu)成7第四章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)94.1軟件系統(tǒng)總體方案94.2主程序的設(shè)計(jì)9 4.2.1系統(tǒng)地址空間的分配9 4.2.2編程思路10 4.2.3主程序流程圖104.3自適應(yīng)控制子程序的設(shè)計(jì)11 4.3.1自適應(yīng)算法的介紹11 4.3.2滑模算法的介紹12 4.3.3自適應(yīng)控制子程序的編程思路144.3.4自適應(yīng)控制子程序流程圖144.4數(shù)據(jù)采集與處理子程序的設(shè)計(jì)164.4.1 8096系列單片的ADC介紹164.4.2 ADC的工作方式164.4.3軟件濾波算法174.4.4標(biāo)度變換174.4.5數(shù)據(jù)采集與處理的編程思路174.4.6數(shù)據(jù)采集與處理子程序流程圖174.5通信子程序的設(shè)計(jì)18 4.5.1并口芯片8155的介紹18 4.5.2 8155的工作原理和編程思路19 4.5.3通信子程序流程圖19第五章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB仿真205.1 MATLAB仿真軟件的介紹205.2仿真步驟與結(jié)果分析20參考文獻(xiàn)23致謝24附件A：程序源代碼25附件B：MATLAB仿真M文件33- 35 -第一章 概述1.1風(fēng)力發(fā)電的意義隨著世界能源的日趨匱乏和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，人們?cè)谂ふ乙环N能替代石油、天然氣等能源的可再生、環(huán)保、潔凈的綠色能源。風(fēng)能是當(dāng)前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源。而且蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74109MW，其中可利用的風(fēng)能為2107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。我國(guó)是世界上風(fēng)力資源占有率最高的國(guó)家，也是世界上最早利用風(fēng)能的國(guó)家之一。我國(guó)地域廣闊，海岸線長(zhǎng)、風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)10m高度層風(fēng)能資源總量為3226 GW，其中陸上可開采風(fēng)能總量為253 GW，加上海上風(fēng)力資源，我國(guó)可利用風(fēng)力資源近1000 GW。在我國(guó)東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙和河西走廊，以及我國(guó)東北、西北、華北、海南及西青藏高原等部分地區(qū)，每年的年平均風(fēng)速在3 m/s以上時(shí)間近4000 h，一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在67 m/s以上，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來說，具有很大的開發(fā)價(jià)值和廣闊的利用空間。如果風(fēng)力資源開發(fā)率達(dá)到60%，僅風(fēng)能發(fā)電一項(xiàng)就可支撐我國(guó)目前的全部電力需求。我國(guó)利用風(fēng)力發(fā)電起步較晚，和世界上風(fēng)能發(fā)電發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、西班牙等國(guó)相比還有很大差距，風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)80年代才迅速發(fā)展起來的，發(fā)展初期研制的風(fēng)機(jī)主要為1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等多種小型風(fēng)電機(jī)組，后期開始研制開發(fā)可充電型風(fēng)電機(jī)組，并在海島和風(fēng)場(chǎng)廣泛推廣應(yīng)用，目前有的風(fēng)機(jī)已遠(yuǎn)銷海外。2010年我國(guó)的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2000萬(wàn)千瓦，2020年將達(dá)到1億千瓦，也就是說從2011年到2020年將增加8000萬(wàn)千瓦，平均每年新增800萬(wàn)千瓦。風(fēng)能的開發(fā)利用在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已相當(dāng)普及，尤其在德國(guó)、荷蘭、西班牙、丹麥等西歐國(guó)家，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中占相當(dāng)比重。國(guó)際市場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電成本不斷降低，有些條件較好的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，機(jī)組發(fā)電成本僅為8美分/kWh，風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行維修費(fèi)為1.5美分/kWh。從當(dāng)前世界風(fēng)力發(fā)電情況來看，無論從風(fēng)機(jī)容量投資、年發(fā)電量、運(yùn)行費(fèi)用及運(yùn)行穩(wěn)定性等指標(biāo)衡量，200500 kW的中型風(fēng)電機(jī)組都具有較大競(jìng)爭(zhēng)力。1.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀目前主要的兩類風(fēng)力發(fā)電機(jī)是感應(yīng)雙饋異步電機(jī)和永磁直驅(qū)同步電機(jī)。前者定子連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子連接變流器，無需大功率變流裝置; 后者無齒輪箱，低轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動(dòng)，但需要大功率變流裝置。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要體現(xiàn)發(fā)電機(jī)控制方式、變流器控制方式和機(jī)組控制算法。下面從發(fā)電機(jī)控制方式、變流器控制方式和機(jī)組控制算法三個(gè)方面分別給以介紹：（1）發(fā)電機(jī)控制方式：矢量控制是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的經(jīng)典控制方式，此外還有直接轉(zhuǎn)矩控制、復(fù)合控制等，并在此基礎(chǔ)上衍生出一系列改進(jìn)的控制技術(shù)。有基于無速度(位置)傳感器的矢量控制技術(shù)，應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)控制。有基于多重化滑模觀測(cè)器的矢量控制技術(shù)，這類控制方式通過設(shè)計(jì)觀測(cè)器來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置或速度，將估計(jì)與控制相結(jié)合以改善功率控制精度，但實(shí)時(shí)性和抗干擾性偏低。有基于矢量控制的有功無功解耦控制;有通過構(gòu)建電機(jī)的輸入輸出線性化模型，減弱了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性，以獲得更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及更好的動(dòng)態(tài)解耦性能。（2）變流器控制方式：采用雙PWM 變流控制是最常見的方式，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)和單位功率傳輸，其中PWM 整流器多采用直接電流控制。這方面的研究也有幾個(gè)方向，有從變流器角度提出最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，以降低對(duì)變流器容量的要求;有針對(duì)變流器并聯(lián)運(yùn)行控制問題，研究各模塊的監(jiān)控及模塊之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理， 使得各模塊的輸出電壓和電流保持嚴(yán)格同步。（3）機(jī)組控制算法：從機(jī)組控制器設(shè)計(jì)層面上，可將控制算法總體分為兩類，經(jīng)典控制算法和現(xiàn)代控制算法。經(jīng)典控制算法指的是PID控制算法。PID控制器原理簡(jiǎn)單且當(dāng)前多種工業(yè)PLC控制器(如SIEMENSS7- 300)集成了PID功能模塊，實(shí)現(xiàn)方便，在控制領(lǐng)域得到廣泛采用。風(fēng)電機(jī)組中采用PI或PID控制器需要注意兩點(diǎn):其一，采取“積分器退飽和”措施防止積分器失效;其二，將PI或PID與現(xiàn)代控制算法結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合PID控制(如:模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、自適應(yīng)PID等)，以彌補(bǔ)經(jīng)典 PID不足，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)控制效果。此外一些算法基于風(fēng)力最佳工作點(diǎn)的線性化模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電功率反饋控制，適合于工作環(huán)境慢變、不確定性及干擾性較弱的風(fēng)電系統(tǒng)控制?，F(xiàn)代控制方法包括最優(yōu)控制、魯棒控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、非線性自適應(yīng)控制及智能控制等。文獻(xiàn)1利用魯棒控制算法解決風(fēng)電系統(tǒng)建模不確定性及隨機(jī)風(fēng)擾動(dòng)問題，獲得良好的魯棒性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)2將幾何方法與滑模方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了風(fēng)電系統(tǒng)的多輸入多輸出抗擾控制器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制和最大化風(fēng)能利用的控制目標(biāo)。非線性智能控制算法是現(xiàn)代控制算法中受到廣泛關(guān)注的一類。該類算法直接針對(duì)風(fēng)電的復(fù)雜快變非線性動(dòng)力學(xué)，利用變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ芸朔到y(tǒng)參數(shù)不確定性及非線性時(shí)變因素，實(shí)現(xiàn)高速高精度的控制目的。綜上具有代表性的風(fēng)機(jī)控制算法可見: 由于風(fēng)電機(jī)組屬于復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其應(yīng)用地域廣闊，環(huán)境復(fù)雜，不確定性強(qiáng)，目前尚未有集所有優(yōu)點(diǎn)于一體的控制算法。我國(guó)近年在風(fēng)電領(lǐng)域得到了持續(xù)的政策支持和研發(fā)投入，總體已掌握了定槳距風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)，但對(duì)于機(jī)組大型化、高速高精度變槳、變速恒頻等技術(shù)的自主化和產(chǎn)業(yè)化仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家甚至部分發(fā)展中國(guó)家。目前兩方面問題值得關(guān)注:其一，變槳距或變速恒頻風(fēng)電機(jī)組自主化產(chǎn)品較少。目前我國(guó)在該機(jī)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器研究方面尚處于技術(shù)進(jìn)口和借鑒階段。國(guó)內(nèi)多所大學(xué)和研究所積極參與相關(guān)研究并取得了一定成果。其二，在掌握大型機(jī)組動(dòng)力學(xué)建模、載荷計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，仍有較大發(fā)展空間。1.3自適應(yīng)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用本文探索采用自適應(yīng)控制與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制算法對(duì)直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行控制。自適應(yīng)控制的提法可歸納為：在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不確定的條件下，要求設(shè)計(jì)控制規(guī)律，使給定的性能指標(biāo)盡可能達(dá)到及保持最優(yōu)。為了完成以上任務(wù)，自適應(yīng)控制必須首先要在工作過程中不斷地在線辨識(shí)系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)及參數(shù)）或性能，作為形成及修正最優(yōu)控制的依據(jù)，這就是所謂的自適應(yīng)能力，它是自適應(yīng)控制主要特點(diǎn)。在本文中，自適應(yīng)的作用體現(xiàn)在辨識(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)，并據(jù)此選擇合適的控制算法，在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行切換?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制,且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性. 這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定,而是可以在動(dòng)態(tài)過程中,根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化,迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān),這就使得滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的PWM控制相比，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)變換器的輸入或者負(fù)載大幅度變化時(shí)，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定以及具有魯棒性和良好的動(dòng)態(tài)特性。在本文中，滑?？刂扑惴ㄖ饕饔檬菍?shí)現(xiàn)系統(tǒng)在兩種工作狀態(tài)（正常發(fā)電狀態(tài)和低電壓穿越狀態(tài)）之間迅速有效的過渡。第二章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的介紹2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)分析一般說來，風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行可以分成四個(gè)區(qū)域：（1）區(qū)域A：當(dāng)風(fēng)速小于風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速時(shí)， 由于此時(shí)的風(fēng)能無法為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，風(fēng)力機(jī)不能轉(zhuǎn)換電能。風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)分離，風(fēng)力機(jī)不工作；（2）區(qū)域B：當(dāng)風(fēng)速介于風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時(shí)，我們可以通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，讓其速度隨風(fēng)速變換，從而獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；（3）區(qū)域C：當(dāng)風(fēng)速介于風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí)，過高的風(fēng)速可能損壞風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，我們需要調(diào)節(jié)饋入系統(tǒng)的風(fēng)能以保持風(fēng)力機(jī)在額定功率的運(yùn)行；（4）區(qū)域D：當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度過高和轉(zhuǎn)矩過大可能損壞系統(tǒng)，這時(shí)，我們需要強(qiáng)制停機(jī)。基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)四個(gè)工作區(qū)域，可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)分為低電壓穿越狀態(tài)和正常發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力處于區(qū)域B和區(qū)域C時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)處于正常發(fā)電狀態(tài)可以向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能。而當(dāng)風(fēng)力處于區(qū)域A時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電壓過低不能向電網(wǎng)饋能，此時(shí)大多數(shù)選擇是將發(fā)電機(jī)從發(fā)電系統(tǒng)暫時(shí)的切除，待電壓正常時(shí)再接入。但這樣的操作將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，尤其當(dāng)風(fēng)能容量占電網(wǎng)總?cè)萘枯^大比例時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的影響將更嚴(yán)重。另一種選擇是讓發(fā)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，即在風(fēng)力處于區(qū)域A時(shí)，仍使機(jī)組保持與電網(wǎng)的聯(lián)接。2.2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)A-D-A變流電路風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是采用二極管不控整流后接Boost升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的電壓源型逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一種是采用PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2.1 帶有Boost升壓穩(wěn)壓電路拓?fù)洳捎脠D2.1的主電路拓?fù)?，通過Boost升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將很好的控制后端逆變器的輸入直流電壓，即不管二極管不控整流的輸出直流電壓變化多大，通過Boost升壓穩(wěn)壓電路后，其直流電壓基本穩(wěn)定，使后端逆變器調(diào)制度范圍好，提高運(yùn)行效率，減小損耗，同時(shí)，Boost電路還可以對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。采用此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)相對(duì)控制簡(jiǎn)單，控制方法靈活，且經(jīng)濟(jì)性好，一般用于大功率的直驅(qū)型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中。圖2.2 PWM整流電路拓?fù)洳捎脠D2.2主電路拓?fù)?，通過PWM可控整流技術(shù)，可以很好的處理發(fā)電機(jī)端的交流電壓不穩(wěn)，諧波較大和直流側(cè)電壓變化大的問題。而且由于整流器的特點(diǎn)可知，通過解耦控制，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的單位功率因數(shù)輸出。同時(shí)，通過矢量控制技術(shù)來控制發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最大效率、最小損耗控制。因此，整個(gè)系統(tǒng)控制方法靈活，可以有針對(duì)性地提高系統(tǒng)的運(yùn)行特性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是，前端的PWM整流器會(huì)大大提高系統(tǒng)的成本。雖然能夠提高系統(tǒng)的性能，但是在大功率工程中性價(jià)比不如上一種結(jié)構(gòu)。因此，一般只有在小功率系統(tǒng)中采用。2.3直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)電網(wǎng)電壓：220/3相；電網(wǎng)電壓頻率：50Hz0.5Hz；整流器輸出直流電壓：DC24V；額定輸出功率：300W；工作電源：取直流電源；風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓：28V/3相；風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出頻率：50Hz；風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出功率：300W。第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇3.1系統(tǒng)方案的選擇 微處理器具有體積小、功能強(qiáng)大，成本低、開發(fā)簡(jiǎn)單和安裝調(diào)試容易的優(yōu)點(diǎn)，非常適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心控制器一般采用微處理器，常用有51系列單片機(jī)、96系列單片機(jī)、DSP數(shù)字處理器。（1）MCS-51系列單片機(jī)51系列單片機(jī)的出現(xiàn)是最早的，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也是最早、最廣泛的一種單片機(jī)。因此，有很多成功的工業(yè)應(yīng)用案例可供借鑒，如此可大大縮短開發(fā)的周期，提高開發(fā)效率，并降低開發(fā)成本。但51系列單片機(jī)是8位的單片機(jī)，功能有限，盡管有許多廠商在80C51的基礎(chǔ)上對(duì)其硬件做了很大的改進(jìn)升級(jí)，其性能仍是有限。而且處理速度很慢，用匯編編程較繁瑣。故不適合風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)。（2）MCS-96系列單片機(jī)MCS-96系列單片機(jī)是在MCS-51系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。相對(duì)于51系列來說，其軟、硬件資源更為豐富，尤其是其CPU摒棄了累加器結(jié)構(gòu)，而采用了寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力，還使編程更為簡(jiǎn)單；它具有更快的運(yùn)算速度，更多的外圍子系統(tǒng)，更高效的指令系統(tǒng)。主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：u 16位CPU，具有高速處理能力，沒有累加器，采用寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，具有232字節(jié)的寄存器陣列；u 具有高效的指令系統(tǒng)，大大提高了編程效率；u 4/8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器；u 脈寬調(diào)制PWM輸出裝置；u 全雙工的串行口，并有專門的波特率發(fā)生器；u 高速的I/O系統(tǒng)；u 5個(gè)8位的I/O端口；u 可編程的8個(gè)優(yōu)先級(jí)中斷源；u 16位監(jiān)視定時(shí)器；u 可動(dòng)態(tài)配置的總線；u ROM/EPROM的內(nèi)容可加密；u 2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)16位的軟件定時(shí)器。（3）DSP數(shù)字處理器DSP是一種功能十分強(qiáng)大的微處理器，特別適用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和對(duì)實(shí)時(shí)控制要求很高的工業(yè)控制系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)有：接口和編程方便； DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)的干擾和影響較小，可靠性高；數(shù)字系統(tǒng)的性能基本不受元器件參數(shù)性能變化的影響；精度高，16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10 -5的精度；數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。其不足之處在于：DSP技術(shù)更新的速度快，數(shù)學(xué)知識(shí)要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善；且價(jià)格較貴，開發(fā)成本高。在保證性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合降低開發(fā)成本和周期的原則上，對(duì)以上三種微處理器進(jìn)行考察：51系列單片機(jī)功能有限，不適合做上位機(jī)；96系列的單片機(jī)功能強(qiáng)大，價(jià)格適中，開發(fā)成本低、周期也短；DSP具有很強(qiáng)的功能，但從經(jīng)濟(jì)層面考慮，則沒有必要。綜合以上分析，選擇96系列單片機(jī)做為上位機(jī)微處理器。3.2控制系統(tǒng)整體構(gòu)成由于此系統(tǒng)采用PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。故采用監(jiān)督式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由單片機(jī)擔(dān)當(dāng)上位機(jī)的任務(wù)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)監(jiān)管兩個(gè)DSP控制器的工作。其基本結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。圖3.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖兩個(gè)直接控制器皆是以DSP芯片為核心，分別控制發(fā)電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器。在系統(tǒng)正常的工作的狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)側(cè)控制器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的整流，并維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；而電網(wǎng)側(cè)控制器的任務(wù)則是最大功率的并網(wǎng)逆變，追蹤電網(wǎng)的小范圍變化，向電網(wǎng)提供高質(zhì)量電能。低電壓穿越時(shí)，接受上位機(jī)的控制，執(zhí)行一系列的滑模算法，維持機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行。上位機(jī)采用16位的單片機(jī)87C196KC，負(fù)責(zé)監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，及時(shí)適應(yīng)環(huán)境的變化，出現(xiàn)故障時(shí)提供適當(dāng)保護(hù)，給定控制器的給定值。單片機(jī)控制系統(tǒng)的方框結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示?；魻杺鞲衅鞑杉到y(tǒng)信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)調(diào)理成單片機(jī)可以處理的形式后輸入P0口，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換、濾波和標(biāo)度變換等處理，得到的結(jié)果作為自適應(yīng)控制算法的依據(jù)。單片機(jī)與DSP的通信則通過8155并口芯片來實(shí)現(xiàn)。圖3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖第四章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1軟件系統(tǒng)總體方案整個(gè)直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)組軟件控制系統(tǒng)由三大模塊組成，2個(gè)DSP直接控制器模塊和1個(gè)上位機(jī)監(jiān)管模塊。本文的主題是上位機(jī)監(jiān)管模塊的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本軟件系統(tǒng)則是由4個(gè)子模塊組成，分別為主程序模塊、自適應(yīng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊和通信模塊。主程序模塊的主要功能是完成發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)入自適應(yīng)控制過程及實(shí)現(xiàn)一些附屬功能。自適應(yīng)控制模塊的功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)組在正常狀態(tài)和低電壓狀態(tài)之間適時(shí)有效的轉(zhuǎn)換。它將運(yùn)用數(shù)據(jù)采集與處理子程序得到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過自適應(yīng)控制算法選擇合適的控制算法，利用通信子程序傳輸給2個(gè)DSP控制器。數(shù)據(jù)采集與處理模塊采用87C196KC自身的10位ADC轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集，并采用軟件濾波算法使數(shù)據(jù)更為可信，然后在完成標(biāo)度變換后，存于片內(nèi)RAM中供其它程序使用。通信模塊采用的是8155并口芯片。8155具有操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)的特點(diǎn)，很適合用近距離的板級(jí)通信。4.2主程序的設(shè)計(jì)4.2.1系統(tǒng)地址空間的分配在進(jìn)行單片機(jī)匯編編程前，首先要了解并分配好地址空間，如下是本應(yīng)用系統(tǒng)的地址空間的分配：（1）片內(nèi)RAM的分配：001AH-002FH：定義為中間結(jié)果存放區(qū)；0030H-003FH：數(shù)據(jù)采集與處理專用區(qū)；0040H-004FH：通信數(shù)據(jù)專用區(qū)；00E0H以下：堆棧數(shù)據(jù)區(qū)。（2）EEPROM空間的分配：2080H起：主程序存放區(qū)；2400H起：自適應(yīng)控制子程序存放區(qū)；3000H起：數(shù)據(jù)采集與處理子程序存放區(qū)；3800H起：通信子程序存放區(qū)。（3）I/O地址的分配：7E00H-7EFFH：并口芯片8155片內(nèi)RAM空間；7F00H-7F05H；并口芯片8155各寄存器的地址。4.2.2主程序的編程思路主程序的第一部分是進(jìn)行一系列的初始化操作，包括變量的定義、椎棧的設(shè)定和數(shù)據(jù)的裝載。初始化完成后，開始進(jìn)入發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的啟動(dòng)階段，此階段包括2個(gè)步驟：首先要讓機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行PI整流，對(duì)直流側(cè)的蓄電池充電，并維持其穩(wěn)定；然后使網(wǎng)側(cè)變流器PI逆變向電網(wǎng)饋能。其中包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理、對(duì)轉(zhuǎn)換條件的判斷和與DSP的通信幾個(gè)子步驟。4.2.3主程序流程圖圖4.1主程序流程圖4.3自適應(yīng)控制子程序的設(shè)計(jì)4.3.1自適應(yīng)算法的介紹自適應(yīng)控制指的是在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不確定的條件下（工作環(huán)境可以是基本確定的或是隨機(jī)的），要求設(shè)計(jì)控制規(guī)律，使給定的性能指標(biāo)盡可能達(dá)到及保持最優(yōu)。一般說來要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，必須首先要在工作過程中不斷地在線辨識(shí)系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)及參數(shù)）或性能，然后以此為依據(jù)修正控制器的參數(shù)。在本文中，系統(tǒng)不斷的采集系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，包括發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值、直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電壓，據(jù)此判斷系統(tǒng)的狀態(tài)。一般的自適應(yīng)算法只是修改控制器的參數(shù)，如增益，在該算法中則是通過選擇不同類型的控制器來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。控制器要執(zhí)行的算法有傳統(tǒng)的PID算法和現(xiàn)代的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。永磁同步電機(jī)在靜止-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： （4.1）其中：，其分量分別為定子和軸電流；，其分量分別為定子和軸電流；為反電勢(shì)，為反電勢(shì)常數(shù)，、分別為轉(zhuǎn)子角速度和位置角；，Rs為定子電阻，Ls為定子電感。轉(zhuǎn)子位置角可以根據(jù)以下計(jì)算得出： （4.2）其中：h為增益，sgn()為符號(hào)函數(shù)，和為觀測(cè)值。轉(zhuǎn)子估算角速度可以用模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)算法得到。首先，因?yàn)榻?jīng)過歸一化處理可得到實(shí)時(shí)估計(jì)的反電勢(shì)值 （4.3）相對(duì)于估計(jì)的反電勢(shì)，角速度變化要緩慢得多，可以看作常量，從而有 （4.4）式中：。以式（4.4）為為自適應(yīng)速度估計(jì)器的參考模型，則可調(diào)模型定義為 （4.5）式中：是可調(diào)模型的輸出；是反饋回路增益，其目的是使可調(diào)模型收斂。當(dāng)速度估算存在誤差時(shí)，將導(dǎo)致歸一化的反電勢(shì)存在誤差。由這一誤差與可得到下的自適應(yīng)律： （4.6）自適應(yīng)算法的穩(wěn)定性可通過Popov超穩(wěn)定性理論得到證明當(dāng)可調(diào)模型收斂后，收斂到零，從而估算角速度，最終收斂到實(shí)際角速度。4.3.2滑模算法的介紹滑模變結(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Control，SMC)是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。它通過在不同控制結(jié)構(gòu)（一般情況下不同的控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響是相反的）之間的頻繁切換，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”或“滑模”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。滑動(dòng)模態(tài)的存在，使得系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)下不僅保持對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動(dòng)態(tài)性能。目前已有研究證實(shí)滑模變結(jié)構(gòu)控制在變流電路的有效應(yīng)用。文獻(xiàn)5提出一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的電壓環(huán)非線性控制方案。采用一種新穎的-坐標(biāo)系下的開關(guān)表設(shè)計(jì)方法，不僅可以取得良好的滑模算法動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，而且有效降低了開關(guān)頻率。文獻(xiàn)6文以三相逆變器為例，在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過使用SMVSC 和對(duì)其開關(guān)元件的“開”或“關(guān)”狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，獲得良好的控制效果。（一）切換函數(shù)的確定三相 PWM 整流器的控制目標(biāo)有2個(gè)：其一是實(shí)現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)正弦波電流控制；其二是實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器直流側(cè)輸出電壓的控制。對(duì)輸入功率因數(shù)的控制可轉(zhuǎn)換成對(duì)輸入無功電流的控制，即當(dāng)輸入無功電流為零時(shí)，整流器功率因數(shù)可達(dá)到1。對(duì)整流器直流側(cè)輸出電壓的控制則轉(zhuǎn)換為通過對(duì)有功電流的控制來實(shí)現(xiàn)。 式(4.7)中有2個(gè)輸入控制變量，用來控制輸出電壓，用來實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。將 和作為輸出變量，可得到該狀態(tài)空間模型在穩(wěn)態(tài)情況下的能控標(biāo)準(zhǔn)型： （4.7）其中： （4.8）滑模變結(jié)構(gòu)控制的目標(biāo)是：輸入單位功率因數(shù)即無功電流為零，輸出電壓跟蹤給定電壓且動(dòng)態(tài)為一階過渡過程，這實(shí)際上是一個(gè)給定運(yùn)動(dòng)的跟蹤問題。選擇含有無功電流和直流側(cè)電壓偏差的變量函數(shù)作為滑模函數(shù)，為使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，將直流側(cè)輸出電壓的一階導(dǎo)數(shù)也作為滑模面變量?？傻孟到y(tǒng)的切換函數(shù)為： （4.9）將式（4.8）代入可得： （4.10）式中含有時(shí)變變量和，故考慮將其進(jìn)行線性化處理，并考慮到可得： （4.11）其中：代入式（4.10）中，可得： （4.12）令 （4.13）切換函數(shù)可簡(jiǎn)寫成： （4.14）為便于進(jìn)行控制律的選擇，需進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到在-坐標(biāo)下的切換函數(shù)為： （4.15）（二）控制律的實(shí)現(xiàn)下面討論如何選擇控制規(guī)律使開關(guān)函數(shù)滿足廣義滑模條件。 當(dāng)時(shí)，有，要滿足廣義滑模條件，需使，選擇使增大即可；當(dāng)時(shí)，有，要滿足廣義滑模條件，需使，選擇使減小即可。同理，對(duì)也采用同樣的策略。上述目的可通過非線性環(huán)節(jié)滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電流偏差超越滯環(huán)寬度時(shí)，主電路功率開關(guān)管切換，并迫使電流偏差減小。4.3.3自適應(yīng)控制子程序的編程思路本文中自適應(yīng)控制子程序是由三個(gè)過程循環(huán)組合而成，分別是進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)、退出低電壓穿越狀態(tài)和返回正常發(fā)電狀態(tài)。這三個(gè)過程同時(shí)對(duì)應(yīng)著2個(gè)變流器的三對(duì)控制算法，滑模無功功率發(fā)生器算法與滑模整流算法、滑模整流算法與滑模逆變算法以及PI整流算法與PI逆變算法。而這三個(gè)過程轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)則由三個(gè)基于系統(tǒng)狀態(tài)的判斷條件來決定。特別要說明的是，在系統(tǒng)返回PI控制算法前要確保滑動(dòng)模態(tài)已較穩(wěn)定，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)判斷子程序，只有連續(xù)的一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)都符合條件才啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。4.3.4自適應(yīng)控制子程序流程圖圖4.2自適應(yīng)控制子程序流程圖圖4.3連續(xù)判斷子程序流程圖4.4數(shù)據(jù)采集與處理子程序的設(shè)計(jì)4.4.1 8096系列單片的ADC介紹96系列的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器為8通道10位逐次逼近式。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入為多路單通道結(jié)構(gòu)，由多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部8路模擬輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換控制，并具有采樣保持電路，保證了轉(zhuǎn)換的可靠性。主要特性與參數(shù)：轉(zhuǎn)換精度：5；AD的分辨率：；轉(zhuǎn)換時(shí)間：因轉(zhuǎn)換周期為88個(gè)，故在12MHz時(shí)鐘下22,6MHz時(shí)鐘下44；被測(cè)電壓計(jì)算：。4.4.2 ADC的工作方式A/D的啟動(dòng)方式有兩種，第一種是通過寫AD_COMMAND寄存器來選擇和啟動(dòng)，第二種是通過HSO部件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要定時(shí)采樣，使HSO方式更方便些，一般情況下則通過寫AD_COMMAND寄存器實(shí)現(xiàn)。同一般的A/D轉(zhuǎn)換器一樣，可以在轉(zhuǎn)換完成時(shí)引發(fā)中斷，也可以查詢AD_COMMAND寄存器。此外，因?yàn)槭?0位轉(zhuǎn)換器，所以轉(zhuǎn)換結(jié)果要分兩次讀取，并需要進(jìn)行右移位操作。4.4.3軟件濾波算法由于工作環(huán)境比較惡劣，干擾源較多，模擬輸入量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，還需要進(jìn)行軟件濾波。常用的濾波算法有限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）、限幅平均濾波法。算術(shù)平均濾波就是連續(xù)采樣N次，把N次的采樣結(jié)果的算術(shù)平均值作為本次濾波器的輸出，其計(jì)算公式為： （4.16）式中：本次濾波輸出；第個(gè)采樣值（1,2,n）.4.4.4標(biāo)度變換由于采集的各個(gè)參數(shù)都有著不同的量綱，這些經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換而成的數(shù)字量?jī)H僅代表參數(shù)值的大小，并不帶有原量綱的參數(shù)值，需要進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換。對(duì)于線性參數(shù)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換的公式為： （4.17）式中：測(cè)量裝置的下限；測(cè)量裝置的上限；轉(zhuǎn)換后的實(shí)際值；測(cè)量裝置下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；測(cè)量裝置下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。4.4.5數(shù)據(jù)采集與處理的編程思路數(shù)據(jù)采集與處理子程序由三個(gè)部分組成，首先，逐個(gè)啟動(dòng)3個(gè)模擬輸入通道的AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行幾輪采集，并將結(jié)果相加。因轉(zhuǎn)換結(jié)果是10位的，而存儲(chǔ)空間為16位，故不必?fù)?dān)心會(huì)溢出。然后將幾次累加的結(jié)果取平均值，即軟件濾波。最后，對(duì)3個(gè)數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換。為節(jié)約時(shí)間，這三個(gè)步驟采用了類似“流水線”的編程技巧。4.4.6數(shù)據(jù)采集與處理子程流程圖圖4.4數(shù)據(jù)采集與處理子程序流程圖圖4.5 A/ D轉(zhuǎn)換控制子程序流程圖4.5通信子程序的設(shè)計(jì)4.5.1并口芯片8155的介紹8155是一種多功能的外圍芯片，共有40個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝。包括兩個(gè)8位并行輸入/輸出，一個(gè)6位并行輸入/輸出端口，256個(gè)字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，一個(gè)地址鎖存器，一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及控制邏輯電路，各部件和存儲(chǔ)器地址的選擇由IO / M信號(hào)決定。8155按外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的，為16位地址，其高8位地址由片選線提供。8155的3個(gè)P口的工作方式為基本I/O方式或選通I/O方式，工作方式的選擇是通過對(duì)8155內(nèi)部命令寄存器設(shè)定控制字來實(shí)現(xiàn)。8155內(nèi)還有一個(gè)狀態(tài)寄存器，用于鎖存輸入/輸出口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)，供CPU查詢用。4.5.2 8155的工作原理和編程思路本文中PA口和PB口的采用選通工作I/O方式，PC口采用基本I/O方式，作為控制線為PA口和PB口服務(wù)。這種方式下，需要軟件和硬件的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)進(jìn)行要輸出操作時(shí)，先要寫控制字使PA或PB處于選通I/O工作方式；CPU輸出數(shù)據(jù)至8155的鎖存器中，一旦輸出鎖存器滿，則使得BFA或BFB0，通知外設(shè)數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好；外設(shè)取走數(shù)據(jù)，發(fā)出應(yīng)答信號(hào)STBA或STBB0,使得BFA或BFB1，INTRA或INTRB1，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，新一輪數(shù)據(jù)輸出開始，直至完成。4.5.3通信子程序流程圖圖4.6 通信子程序流程圖第五章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB仿真5.1 MATLAB仿真軟件的介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB中各種命令可以完成許多單一的任務(wù)，對(duì)于某些較為復(fù)雜的問題，僅靠現(xiàn)有的命令或函數(shù)來解決，往往是難以達(dá)到目的 。為此，要運(yùn)用MATLAB編程語(yǔ)言編制程序，形成M-文件。程序是使計(jì)算機(jī)完成各項(xiàng)運(yùn)算的命令集，運(yùn)行一個(gè)編制好的程序，計(jì)算機(jī)會(huì)從第一條命令行開始，一行接一行地執(zhí)行相應(yīng)的命令，直到終止。程序一般包含：數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出三部分，其中數(shù)據(jù)處理是核心。程序編寫調(diào)試完成后，需要存盤，形成永久性文件，可以隨時(shí)對(duì)它進(jìn)行調(diào)用或修改。文件名以字母開頭，但不能用專用變量名，如pi等。MATLAB中每一個(gè)命令都是一個(gè)M-文件。5.2仿真步驟與結(jié)果分析（1）首先將控制算法寫成M文件（具體內(nèi)容見附件2）的形式，M文件中包含有繪圖語(yǔ)句。通過這幾條繪圖語(yǔ)句可以完整的反映出幾個(gè)關(guān)鍵變量在仿真過程中的變化。（2）裝入M文件，點(diǎn)擊“執(zhí)行”圖標(biāo)，根據(jù)提示排除掉錯(cuò)誤后，將完整的執(zhí)行M文件，并得到如圖5.1、圖5.2和圖5.3所示的結(jié)果。（3）關(guān)于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)在線辯識(shí)的分析因風(fēng)速的不確定性，為較真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)情況，故給定的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：常數(shù)8加上幅值為0.5的正弦波后形成的曲線值。圖5.1所示為發(fā)電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速與自適應(yīng)在線辯識(shí)的觀測(cè)值的比較，下面的曲線為真實(shí)的轉(zhuǎn)速，上面的線是能過自適應(yīng)在線辯識(shí)所得，雖具有一定的振蕩性，但辯識(shí)值仍能較好的跟隨轉(zhuǎn)速的變化。圖5.1 發(fā)電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速與自適應(yīng)在線辯識(shí)的觀測(cè)值（4）關(guān)于滑模變控制算法的分析當(dāng)處于低電壓穿越狀態(tài)時(shí)，機(jī)側(cè)變流器采用的是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，在-坐標(biāo)下的切換函數(shù)為分別為和。當(dāng)進(jìn)入滑模狀態(tài)時(shí)，和將在滑模面（0）的附近振蕩，這是由滑模控制算法的本質(zhì)所決定的。圖5.2 軸電流的滑模面函數(shù)的變化曲線圖5.3 軸電流的滑模面函數(shù)的變化曲線綜合以上分析可知，自適應(yīng)算法的在線辯識(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，能夠有效的觀測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化。滑模變結(jié)構(gòu)控制有其它固有的缺陷難以消除的振蕩，但它有顯著的優(yōu)點(diǎn)能迅速的跟蹤給定值，具有很好的抗擾動(dòng)性。總之，結(jié)合自適應(yīng)在線辯識(shí)與滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠滿足直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求。參考文獻(xiàn)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. 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