CN105703394B - 一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统及其直流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是新能源发电技术领域，具体涉及一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统及其直流母线电压控制方法。系统由水轮机、永磁直驱发电机、不可控整流装置、滤波装置、电池柜、三相逆变器、岸上开关柜、主控系统、能量释放单元等组成；所述的主控系统是潮流发电控制系统的核心部分，包括DSP2406芯片，DSP2406芯片包括A/D转换模块、I/O模块、编码器接口和RS232串口。主控系统通过实时控制IGBT通断时间、电池柜供电及能量释放单元消耗多余电能，有效降低了电力电子系统中三相逆变器的电压压力，系统灵活性强，提高整个发电系统的发电效率。

Description

一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统及其直流母 线电压控制方法

技术领域

本发明涉及的是新能源发电技术领域，具体涉及一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统及其直流母线电压控制方法。

背景技术

众所周知，化石能源的燃烧是导致全球气候巨大变化的主要原因，采用清洁无污染的可再生新能源是势在必行的，这导致了探索可再生新能源，如风能，太阳能和海洋能。目前，最常见的可再生新能源无疑是已经商业化很多年的风力发电和太阳能发电。然而，这些可再生能源技术的主要缺点是其不可预测性和无规律性。作为非常有潜力的可再生新能源之一的海洋潮流能，其清洁无污染、可预测性高、对环境影响小，对潮流能的开发可以有效地改善我国能源结构，降低化石能源燃烧带来的环境污染。潮流是由于太阳和月亮的引力作用，引起海水水位的周期性流动而产生的。潮流能得能量密度较高，开发和利用潮流能可以无需建大坝，减少项目设施的投资；如果将水轮机组浸没在海底，对航海运输不会造成影响。

最近20年，潮流能源领域得到了显著的发展，到目前为止，已经有超过20个国家和地区参与到潮流能的开发利用中，其中英国、荷兰、丹麦、美国等国家已走在了世界的前列，潮流能的开发利用得到世界各国政府、科研机构的重视。虽然潮流能源技术仍有不少挑战，但在对潮流能开发利用选址、经济技术和环境影响等全面评估基础上，提出了多种类型的原型设计，并在实验室、海域进行了试验和测试，正在进入潮流能的规模化开发利用阶段。目前国际上潮流能开发利用技术较为成熟，已经开始进入试验和商业化运作阶段，众多兆瓦级装机容量的潮流发电项目正在商业开发筹划建设中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电效率高，系统稳定性好，成本低的基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统。

本发明的目的还在于提供一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统的直流母线电压控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统，由水轮机、永磁直驱发电机、不可控整流装置、滤波装置、电池柜、三相逆变器、岸上开关柜、主控系统、能量释放单元等组成；所述的主控系统是潮流发电控制系统的核心部分，包括DSP2406芯片，DSP2406芯片包括A/D转换模块、I/O模块、编码器接口和RS232串口，通过编码器获得水轮机的转速，直流母线电压电流、潮流流速和放电电流经A/D转换模块转化成数字信号，数字信号经DSP2406芯片运算输出PWM信号到驱动芯片，驱动芯片控制功率元件IGBT的通断。

还包括电力电子系统，电力电子系统包括三相不可控整流器、三相逆变器、能量释放单元、输出电感滤波器，三相不可控整流器连接能量释放单元和三相逆变器，能量释放单元分别连接主控系统和电阻箱，三相逆变器连接输出电感滤波器，输出电感滤波器连接岸上开关柜，岸上开关柜连接三相负载，三相不可控整流器与永磁直驱发电机相连，永磁直驱发电机发出的交流电经过三相不可控整流器整流，然后再将其输出的直流电逆变为具有期望幅值和频率的交流电，交流电经过输出电感滤波器滤波传送到岸上供给用户。

主控系统控制功率元件IGBT的通断时间跟踪永磁直驱发电机组输出的最大功率；同流速下潮流发电系统具有相应的最优功率，潮流流速与永磁直驱发电机的转速有对应关系；为了追踪最优功率，控制永磁直驱发电机的转速，也即永磁直驱发电机组输出电压，保持直流母线电压为恒定值；当潮流流速低于永磁直驱发电机的启动转速时，永磁直驱发电机组输出功率为0，不能保持直流母线电压恒定，主控系统控制功率元件IGBT导通也不能维持直流母线电压的稳定，则有电池柜为直流母线供电；当潮流流速高于永磁直驱发电机的额定转速时，永磁直驱发电机组输出功率过大，直流母线电压过高，主控系统增加功率元件IGBT关断时间也不能维持直流母线电压的稳定，则多余电能通过能量释放单元消耗掉；当潮流流速在永磁直驱发电机的启动转速和额定转速之间时，主控系统控制功率元件IGBT适当的通断时间维持直流母线电压的稳定。

本发明的有益效果在于：

(1)主控系统通过实时控制IGBT通断时间、电池柜供电及能量释放单元消耗多余电能，有效降低了电力电子系统中三相逆变器的电压压力，系统灵活性强，提高整个发电系统的发电效率。

(2)优化控制电路的设计。系统的结构采用功能较为独立的模块化设计。电能变换及处理系统是典型的电力电子系统。系统始终处于大电流、脉冲工作状态。这种工作状态对控制电路具有极强的干扰作用。

(3)控制系统的输出通过电感滤波，并使用变压器隔离，减小输出谐波，使输出波形满足供电要求。

附图说明

图1为本发明潮流发电控制系统组成框图；

图2为本发明潮流发电控制系统原理图；

图3为本发明潮流发电控制系统工作原理图；

图4为本发明潮流发电控制系统整流部分和直流中间环节的电路原理图；

图5为本发明潮流发电控制系统的主控系统工作框图；

图6为本发明潮流发电控制系统的直流母线电压控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统，本潮流发电控制系统由水轮机、永磁直驱发电机、不可控整流装置、滤波装置、电池柜、三相逆变器、主控系统、能量释放单元等组成。潮流发电控制系统采用不可控整流，利用直流母线电压控制实现潮流能最大功率跟踪。所述的直流母线电压控制方法是指当潮流流速高于永磁直驱发电机的额定转速时，永磁直驱发电机组输出的电能在直流侧过度积累会导致直流母线电压升高，为了防止直流母线电压过高将多余电能通过电阻箱消耗掉；当潮流流速低于永磁直驱发电机的启动转速时，永磁直驱发电机组输出的功率为0，会导致直流母线电压降低，需通过电池柜供电来保持直流母线电压恒定；当潮流流速在永磁直驱发电机组的启动转速和额定转速之间时，主控系统控制功率元件IGBT适当的通断时间维持直流母线电压的稳定。本发明所述潮流发电控制系统具有发电效率高，系统稳定性好，成本低等优点，通过直流母线稳压控制方法实现最大潮流能捕获功能。

一种潮流发电控制系统，包括水轮机、永磁直驱发电机、不可控整流装置、滤波装置、电池柜、三相逆变器、主控系统、能量释放单元等组成。

所述的主控系统是潮流发电控制系统的核心部分，它起着对全局的控制作用。其包括DSP2406芯片，DSP2406芯片包括A/D转换模块、I/O模块、编码器接口和RS232串口，通过编码器获得水轮机的转速，直流母线电压电流、潮流流速、放电电流经A/D转换模块转化成数字信号，数字信号经DSP2406芯片运算输出PWM信号到驱动芯片，驱动芯片控制功率元件IGBT的通断。

还包括电力电子系统，电力电子系统包括三相不可控整流器、三相逆变器、能量释放单元、输出电感滤波器，三相不可控整流器连接能量释放单元和三相逆变器，能量释放单元分别连接主控系统和电阻箱，三相逆变器连接输出电感滤波器，输出电感滤波器连接岸上开关柜，岸上开关柜连接三相负载，三相不可控整流器与永磁直驱发电机相连，永磁直驱发电机发出的交流电经过三相不可控整流器整流，然后再将其输出的直流电逆变为具有期望幅值和频率的交流电，交流电经过输出电感滤波器滤波传送到岸上供给用户。

本发明的另一个目的是一种潮流发电控制系统的直流母线电压控制方法如下：所述的主控系统控制功率元件IGBT的通断时间跟踪永磁直驱发电机组输出的最大功率。不同流速下潮流发电系统具有相应的最优功率，潮流流速与永磁直驱发电机的转速有对应关系。为了追踪最优功率，控制永磁直驱发电机的转速，也即永磁直驱发电机组输出电压，保持直流母线电压为恒定值。当潮流流速低于永磁直驱发电机组的启动转速时，永磁直驱发电机组输出功率为0，不能保持直流母线电压恒定，主控系统控制功率元件IGBT导通也不能维持直流母线电压的稳定，则有电池柜为直流母线供电。当潮流流速高于永磁直驱发电机组的额定转速时，永磁直驱发电机组输出功率过大，直流母线电压过高，主控系统增加功率元件IGBT关断时间也不能维持直流母线电压的稳定，则多余电能通过能量释放单元消耗掉。当潮流流速在永磁直驱发电机组的启动转速和额定转速之间时，主控系统控制功率元件IGBT适当的通断时间维持直流母线电压的稳定。

为了使本发明实现的技术手段，创作特征，达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图举例对发明做出更加详细的描述：

结合图1和图2，本发明的潮流发电系统由水轮机、永磁直驱发电机、不可控整流装置、滤波装置、电池柜、三相逆变器、主控系统、能量释放单元等构成。水轮机的旋转运动经主轴带动永磁直驱发电机旋转，完成潮流能向电能的转化，永磁直驱发电机发出的电能输送到电力电子系统。在电力变化过程中，电能由不可控整流器整流输送到直流母线，三相逆变器将直流电逆变成具有期望幅值和频率的交流电经输出电感滤波器后便可以为交流负载供电。电池柜可以为直流母线供电。

结合图2和图3，本发明的潮流发电控制系统有三个工作模式：发电模式，停止模式和紧急安全保护模式。

发电模式是当潮流速度达到要求的流速时，紧急制动接触器断开，电阻箱从发电机端子脱开。由于永磁直驱发电机组启动转矩大，不能自启动，所以当流速仪检测到的潮流流速达到启动流速时，控制系统通过外接电源由变频逆变单元将永磁同步发电机驱动到一个启动转速，使水轮机可以稳定运行。永磁直驱发电机组发出的交流电由三相不可控整流桥整流输送到直流母线，并且具有升压能力，将较低的交流电升至能够达到输出逆变器要求的工作电压。两个水轮发电机组升压单独控制，按照设定的流速曲线进行调整，三相逆变器将直流电逆变成具有期望幅值和频率的交流并经输出滤波电感器后送到岸上。岸上开关柜将交流380V变成工频交流380V送至最终用户。在发电模式时，由于输出直接与用户相连，所以负载的状态变化较大，可能发出的电能超过消耗的电能，也可能发出的电能不能满足消耗的电能。对于前一种情况，能量释放单元会及时投入，将多余的能量消耗掉，同时控制水轮发电机组的工作曲线，使其发电效率降低，以适应轻载的状况。对于后一种情况，输出三相逆变器会降低输出电压，整个系统以最大的能力工作，但不能保证输出电压的稳定性。

停车模式是水轮发电机组在潮流低流速时，保持静止状态，此时紧急制动三相接触器闭合，电阻箱直接接到发电机输出端，产生电制动，以抵抗水流的干扰。紧急安全保护模式是在发电模式时，如果出现长时间潮流流速较大的情况，为了保护发电机组，首先通过调整水轮发电机组运行曲线，降低水轮机的吸收功率，同时，直流侧的能量释放单元开始工作，产生相应的电器制动作用。如果转速能得到有效的控制，当转速较低时，紧急制动三相接触器闭合，对发电机组进行完全电器制动，其他设备停机。

系统中配备直流电池柜，其作用主要有两个方面，一是当水轮机发电量较小时，补充输出电能；二是当水轮机不发电时，为系统的控制提供备用电源。系统中还安装了各种测试传感器，主要完成对相应参数的采集与测量。电站与岸上之间的数据传送，采用RS485无线传输的方式进行。

结合图1、图2和图4，本发明的潮流发电系统直流母线电压控制方法是：不同流速下潮流发电系统具有相应的最优功率，潮流流速与永磁直驱发电机的转速有对应关系。为了追踪最优功率，控制永磁直驱发电机的转速，也即永磁直驱发电机组输出电压，保持直流母线电压为恒定值。当潮流流速低于永磁直驱发电机组的启动转速时，永磁直驱发电机组输出功率为0，不能保持直流母线电压恒定，主控系统控制直流中间环节的功率元件IGBT导通也不能维持直流母线电压的稳定，则有电池柜为直流母线供电。当潮流流速高于永磁直驱发电机组的额定转速时，永磁直驱发电机组输出功率过大，直流母线电压过高，主控系统增加直流中间环节的功率元件IGBT关断时间也不能维持直流母线电压的稳定，则多余电能通过能量释放单元消耗掉。当潮流流速在永磁直驱发电机组的启动转速和额定转速之间时，主控系统控制功率元件IGBT适当的通断时间维持直流母线电压的稳定。

结合图4，本发明直流母线电压控制的不可控整流部分由N个二极管并联连接。直流中间环节中采用电压源形式，电容采用2000μF500V的电容两只串联，分压电阻选择5W100K的电阻两只，滤波电感选择为20mH(50A50Hz)的工频电感，永磁直驱发电机均设计为额定输出电压380V(50HZ)，直流侧额定输出电压为510V。结合图5，本发明的主控系统以DSP2406芯片作为控制核心，DSP2406芯片包括A/D转换模块、I/O模块、编码器接口和RS232串口，通过流速仪、霍尔传感器获得流速、直流母线的电压电流和放电电流，通过DSP2406芯片的A/D转换模块，获得相应的测量值；并通过编码器获得水轮机的转速；采用RS485模式与PC机进行通讯；通过对I/O口的逻辑控制，实现故障控制、复位控制、数码管显示及按键控制；根据测量的流速值和水轮机转速，经DSP2406芯片内部程序输出PWM信号控制功率元件IGBT的通断。

结合图6，本发明的潮流发电控制系统的控制核心芯片是DSP2406，采用PID控制方法实现直流母线电压的恒定控制。实现直流母线电压恒定的过程：首先需要完成初始化，包括芯片DSP2406、串口、定时器、A/D端口、PWM输出的初始化，并使能总中断。读取A/D标志位AD_Flag的值，如果不为1，则继续等待其为1；如果为1，禁止定时器1工作。读取测量的电压电流值，为了消除干扰，采用排队滤波法对所获得的AD值进行处理，获得较为准确的AD值。判断放电继电器状态，如果放电继电器处于断开状态，则求得当前转速最大功率点，如果所计算的最大功率超过额定功率，则放电继电器合闸，释放多余能量；如果放电继电器处于合闸状态，判断直流母线电压，如果直流母线电压小于504V，则放电继电器断开；如果直流母线电压大于504V小于530V，则以一个固定步长减少放电电流，同时放电PWM值和充电PWM值进行更新，在确定输出的PWM值时，采用PID控制方法进行计算，给出输出的PWM值。使能定时器1，达到定时周期，则置位A/D标志位AD_Flag，一个采样周期结束。

本发明中，直流母线电压控制方法能够根据采集的流速实现永磁直驱发电机转速和直流母线电压的最佳匹配，使发电机输出最大功率，实现当前转速下的最大潮流能捕获。该方法控制简单，应用灵活，成本低，能够有效提高潮流能利用率，保持直流母线电压恒定，并能够有效降低三相逆变器承受的电压压力，保证系统安全高效的工作。

针对潮流能发电技术，其中以下几个发电系统最具有代表性：挪威HammerfestStrom公司于2002年12月设计安装300KWBlueConcept水轮机，所发电能并入HammerfestStrom电网，成为首个并网发电水轮机。英国MCT(MarineCurrentTurbineLtd)公司研制的l.2MW潮流能水轮机“SeaGen”，该水轮机已于2008年12月建成，现己并网发电，可供约1000户家庭用电，这是世界上第一个商业化电站。

Claims (1)

1.一种基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统的直流母线电压控制方法，基于直流母线电压控制的潮流发电控制系统由水轮机、永磁直驱发电机、三相不可控整流装置、输出电感滤波器、电池柜、三相逆变器、岸上开关柜、主控系统、功率元件IGBT、能量释放单元组成；所述的主控系统是潮流发电控制系统的核心部分，其特征在于：所述的主控系统包括DSP2406芯片，DSP2406芯片包括A/D转换模块、I/O模块、编码器接口和RS232串口，通过编码器获得水轮机的转速，直流母线电压电流、潮流流速和放电电流经A/D转换模块转化成数字信号，数字信号经DSP2406芯片运算输出PWM信号到驱动芯片，驱动芯片控制功率元件IGBT的通断；

所述的三相不可控整流器连接能量释放单元和三相逆变器，能量释放单元分别连接主控系统和电阻箱，三相逆变器连接输出电感滤波器，输出电感滤波器连接岸上开关柜，岸上开关柜连接三相负载，三相不可控整流器与永磁直驱发电机相连，永磁直驱发电机发出的交流电经过三相不可控整流器整流，然后再将其输出的直流电逆变为具有期望幅值和频率的交流电，交流电经过输出电感滤波器滤波传送到岸上供给用户；

主控系统控制功率元件IGBT的通断时间跟踪永磁直驱发电机组输出的最大功率；同流速下潮流发电系统具有相应的最优功率，潮流流速与永磁直驱发电机的转速有对应关系；为了追踪最优功率，控制永磁直驱发电机的转速，也即永磁直驱发电机组输出电压，保持直流母线电压为恒定值；当潮流流速低于永磁直驱发电机的启动转速时，永磁直驱发电机组输出功率为0，不能保持直流母线电压恒定，主控系统控制功率元件IGBT导通也不能维持直流母线电压的稳定，则由电池柜为直流母线供电；当潮流流速高于永磁直驱发电机的额定转速时，永磁直驱发电机组输出功率过大，直流母线电压过高，主控系统增加功率元件IGBT关断时间也不能维持直流母线电压的稳定，则多余电能通过能量释放单元消耗掉；当潮流流速在永磁直驱发电机的启动转速和额定转速之间时，主控系统控制功率元件IGBT适当的通断时间维持直流母线电压的稳定。