CN104298121A - 面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台 - Google Patents

Abstract

一种双馈风力发电系统模拟实验平台，主要面向双馈风力发电系统电机控制层控制技术研究的模拟实验装置。该实验平台包括：三相鼠笼异步电动机变频拖动系统模拟风力机、双馈感应发电机以及转子背靠背变换器、转子侧撬棒保护装置、并网母线发电质量分析装置、DSP控制器与上位机仿真系统、电网异常模拟装置，以及滤波组件与保护开关。本发明具有开放式控制器，方便不同控制算法的嵌入；可模拟电网异常状态，反映出电网扰动和故障时控制方法的控制效果，并通过撬棒保护装置和保护开关确保系统平台的安全稳定运行；还具有发电质量检测分析功能，易实现控制技术在双馈风力发电系统中应用性能的综合评价。

Description

面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台

(一)技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电系统模拟实验平台，特别是一种在实验室环境下，面向双馈风力发电系统电机控制层控制技术研究的模拟实验装置。

(二)背景技术

随着全球风电产业的迅速发展，双馈风力发电机组以其励磁变频器容量小、调速范围大、有功无功功率独立调节等优势成为风电系统中的主流机型。但由于目前对风力发电单机容量需求的不断上升和风电机组在电网中所占比例的不断增大，机组控制技术不成熟，研究与发展滞后于现阶段电力系统要求的问题日益明显。通过在实验室环境下模拟双馈风力发电机组真实运行状况来对控制技术进行不断研究和改进是解决该问题的重要途径。

《一种基于双馈发电机的风力发电模拟系统》(申请号201010147802)公开的是基于双馈发电机的风力发电模拟系统，能够模拟实现发电机的有功功率、无功功率控制，并对电网起到无功补偿的作用；《多功能风力发电模拟实验平台》(申请号201110113933)公开的是一种风力发电实验模拟装置，可用于在实验室环境下模拟兆瓦级风力机的实际运行特性，并可对等功率的风力发电机输出特性进行测试。上述文献公开的风力发电模拟实验平台是在电网电压为理想无故障状态下的模拟，对并网运行情况的模拟考虑不全面，导致实际系统对电网故障的抵御能力低。《双馈风力发电机的故障穿越性能模拟系统》(申请号201010044820.2)公开的是一种双馈风力发电机的故障穿越性能模拟系统，在此实验平台可对低电压穿越、弱电网支撑进行实验研究，但由于系统控制只采用间接变量闭环反馈，并缺乏面向风电机组发电的检测分析环节，造成难于进行风电机组控制策略对比和故障分析。可见，国内目前现有双馈风力发电模拟实验平台存在以下不足：①控制器扩展性不强。平台一般功能固定，实验方式多为重复和模仿，可进行控制技术再编程再设计的二次开发空间小，不利于自主研发能力的提升。②对并网运行情况的模拟考虑不全面。双馈风力发电机组定子端与电网直接耦合，对电网故障的抵御能力低。若平台不考虑电网随机出现的非常态，则无法确保在真实运行状况下机组控制技术的有效性与可靠性。③发电质量检测分析不充分。现有平台多是对控制环节所需的数据进行采集、处理，从而形成闭环反馈，缺乏面向风电机组发电的检测分析环节。而本实验平台可以模拟电网异常状态，并增加发电质量分析装置，可分析得到风电机组运行特性的第一手数据，为分析风电机组故障原因提供支持，为风电机组优化控制策略提供帮助。

(三)发明内容

为了克服现有平台的不足，本发明的目的在于提供一种面向控制技术研究的新型双馈风力发电系统模拟实验平台，能够对双馈风力发电系统的控制策略进行学习、改进和研发，能够对控制方法的控制效果以及电网异常状况的处理性能进行检测和评估。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

双馈风力发电系统模拟实验平台装置，包括：模拟风力机的变频拖动系统、双馈感应发电机与转子端背靠背变换器、撬棒保护装置、发电质量分析装置、DSP控制器与上位机仿真系统、电网异常模拟装置，以及相应的滤波组件与保护开关。

所述的模拟风力机的变频拖动系统以三相鼠笼异步电动机作为原动机，配以不控整流和逆变变换器对原动机进行变频调速。风轮机模型程序在上位机运行，当模拟风速变化时，程序给出对应的输出信号到DSP控制器，再由DSP控制逆变变换器开关通断，改变电动机电磁转矩从而调节转速，使原动机模拟风轮机特性运行。

所述的双馈感应发电机的轴通过联轴器与原动机的轴相连接，发电机的转子绕组端子与撬棒保护装置和背靠背变换器相连，发电机的定子绕组端子与发电质量分析装置相连。所述的撬棒保护装置为三相交流开关器件和电阻组成的主动式撬棒电路，所述的背靠背变换器由DSP控制器进行控制。

所述的发电质量分析装置可对发电电压、相位、频率、功率因数、谐波失真等指标进行测定，并可将数据传送至上位机进行显示，方便获取控制策略下运行过程发电质量的各项信息，全方位检测控制策略的性能。

所述的DSP控制器与上位机仿真系统，硬件由两块浮点DSP组成，通过串口和总线方式与上位机通信；仿真软件中为便于进行二次开发，将分为可扩展部分和可集成部分，两部分通过预留的控制变量端口进行交互。所述的可扩展部分面向用户，能方便加入个性化代码进行调试和改进控制算法。所述的可集成部分封装了所述的双馈风力发电系统的模型信息和控制算法能够共用的DSP配置及代码，可加快用户对控制技术研究的上手度和开发周期。

所述的电网异常模拟装置，由电压控制模式下的变换器模拟电网电压实际运行中出现的非常态(电压跌落、三相不平衡)。当需要研究电网异常情况下的双馈风力发电系统控制技术时，将电网异常装置切入所述双馈发电机的定子端，由上位机经DSP控制器控制变换器的逆变桥产生所需的三相电压，来模拟测试控制技术对电网异常情况的处理性能，提高控制技术的鲁棒性和成熟性。

所述的滤波组件为网侧滤波电抗器，限制网侧电流谐波含量。所述的保护开关包括所述双馈发电机定子端的系统并网开关和系统切除开关。所述系统并网开关用于实现双馈风力发电系统正常运行情况下的并网和离网操作，所述系统切除开关用于实现模拟电网异常情况下的紧急切除操作。

由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1.本发明的双馈风力发电系统模拟实验平台具有开放式的控制器，可面向多种控制技术，不仅便于使用者对现有的双馈风力发电的运行过程、控制原理方面的理解认知，还能方便地加入个性化代码，促进控制技术的改进研发。

2.本发明的双馈风力发电系统模拟实验平台具有电网异常情况模拟功能，能更客观地反映双馈风力发电系统并网后对电网的兼容性能，反映出面对电网扰动和故障时控制方法的鲁棒程度，从而便于及时完善控制技术，提高控制技术实用性。

3.本发明的双馈风力发电系统模拟实验平台具有发电质量检测分析功能，能够方便地获取不同控制技术在系统切入-运行-切出整个过程的各项指标信息，从而便于全面地分析各种控制技术的优势劣势，综合评价控制技术在双馈风力发电系统中的应用性能。

(四)附图说明

图1为面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台的整体组成示意图；

图2为面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台发电环节的控制结构图。

(五)具体实施方式

为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。

如图1所示为面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台的整体组成示意图，本发明的硬件平台电路主要由上位机与DSP控制板、鼠笼电机与双馈感应发电机及各自变频调速控制电路、电网异常模拟装置、撬棒保护装置、发电质量分析装置、系统并网和切除开关六大环节构成。其中，上位机直接控制DSP控制板；鼠笼电机与双馈感应发电机同轴相连；撬棒保护电路同双馈发电机转子侧相连；双馈发电机发出电能经过选择开关可选择经过电网异常模拟装置并网或者直接并网，电能质量通过发电质量分析装置实时提供给上位机。

如图2所示为双馈风力发电系统模拟实验平台的整体控制结构。上位机作为控制的中心，综合协调控制系统运行，能够实时显示系统状态并发出控制指令。采用两块DSP控制板，其中TMS320F2812作为鼠笼电机转矩控制器，控制鼠笼电机模拟风轮机特性；TMS320F28335作为背靠背变换器的控制器，控制背靠背变换器实现双馈感应发电机转子能量的双向传输。电网异常模拟装置可通过上位机指令，模拟电网故障。由电网异常模拟装置控制器实现对电网电压波动、波形畸变、缺相、低电压等故障的模拟，真实反应实际电网可能存在的故障状态，从而对双馈风力发电系统在实际并网运行状态下的鲁棒性和安全性进行测试评估。发电质量分析装置采用霍尔传感器采样系统发出电能的电压和电流，将采样信号进行A/D变换送至上位机进行分析。通过上位机中的电能质量分析算法，定量计算出电能质量的各项指标，将各指标量的分析结果作为系统控制策略优劣的重要评价标准。

所述的实验平台模拟双馈风力发电系统具有两种工作模式。第一种工作模式，系统可以模拟电网正常状态下，不同风速作用下双馈风力发电系统并网发电的状态。将不同风速参数输入到上位机仿真系统中，上位机将风速参数转化为鼠笼电机的转矩参数通过232串口输送给DSP，DSP控制板将转矩信号转化为IGBT逆变桥的开关信号，控制鼠笼电机输入电压的幅值和频率，通过鼠笼电机转速和转矩的变化模拟实际风轮机的工作状况。鼠笼电机通过联轴器与双馈感应发电机转子轴相连，拖动双馈感应发电机转动。双馈感应发电机可工作于亚同步、同步和超同步三种发电状态，由转子转速和定子磁场同步转速间的关系决定。通过对双馈感应发电机转子转速的检测和发电质量分析装置信号的分析可以判断发电机工作状态。通过对发电质量分析装置采集信号的分析，经上位机可分析出双馈电机并网电能的质量，从而实时计算出双馈感应发电机转子电流频率和相位的给定值，通过DSP控制板控制背靠背装置，实现转子电流跟随给定，达到对定子侧并网电能质量的控制。第二种工作模式，模拟电网异常状态的并网控制。上位机发出电网异常指令时，将电网异常模拟装置接入电网，若模拟电网电压小幅波动，通过改变双馈感应发电机转子侧背靠背变换器的控制策略，可以抵抗电网波动，实现正常并网发电；当模拟电网电压出现大的故障时，如电网电压大幅跌落、频率变化、缺相、短路等故障，为避免由于定子直接与电网相连，同时定转子间存在的强耦合，而引发双馈感应发电机转子侧电流、电压以及直流母线电压的明显振荡，威胁背靠背变换器电力电子器件安全，系统将控制切入撬棒保护装置，通过撬棒保护迅速将双馈电机转子过电流通过耗能电阻消耗掉，以保障系统安全不脱网运行。若电网故障时间超出预设值，则由系统并网开关控制系统脱网运行。

综上所述，本发明具有开放式控制器，方便不同控制算法的嵌入；可模拟电网异常状态，反映出电网扰动和故障时控制方法的控制效果，并通过撬棒保护装置和保护开关确保系统平台的安全稳定运行；还具有发电质量检测分析功能，易实现控制技术在双馈风力发电系统中应用性能的综合评价。

Claims (5)

1.一种面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台，其特征在于，所述实验平台包括：模拟风力机的变频拖动系统、双馈感应发电机与转子端背靠背变换器、撬棒保护装置、发电质量分析装置、DSP控制器与上位机仿真系统、电网异常模拟装置，以及滤波组件与保护开关；模拟风力机的变频拖动系统以三相鼠笼异步电动机作为原动机，配以不控整流和逆变变换器对原动机进行变频调速；双馈感应发电机与原动机轴连接，发电机的转子绕组端子与撬棒保护装置和背靠背变换器相连，发电机的定子绕组端子与发电质量分析装置相连；撬棒保护装置为三相交流开关器件和电阻组成的主动式撬棒电路；发电质量分析装置与上位机进行数据通讯，由上位机显示运行过程发电质量的信息，全方位检测控制策略的性能；DSP控制器由两块浮点DSP组成，通过串口和总线方式与上位机通信；上位机仿真系统软件分为可扩展部分和可集成部分，两部分通过预留的控制变量端口进行交互；电网异常模拟装置，由电压控制模式下的变换器模拟电网电压实际运行中出现的非常态；滤波组件为网侧滤波电抗器，限制网侧电流谐波含量；保护开关包括系统并网开关和系统切除开关。

2.根据权利要求1所述的面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台，其特征在于：模拟风力机的变频拖动系统的风速变化由风轮机模拟程序在上位机上运行，经DSP控制器改变电动机电磁转矩从而调节转速模拟风轮机特性。

3.根据权利要求1所述的面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台，其特征在于：发电质量分析装置对发电电压、相位、频率、功率因数、谐波失真指标进行测定。

4.根据权利要求1所述的面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台，其特征在于：上位机仿真系统软件的可扩展部分面向用户，能方便加入个性化代码进行调试和改进控制算法；可集成部分封装了所述的双馈风力发电系统的模型信息和控制算法能够共用的DSP配置及代码。

5.根据权利要求1所述的面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台，其特征在于：电网异常模拟装置可模拟电网的电压跌落和三相不平衡。