CN1972115A - 一种变速恒频风力双馈发电机实验模拟系统 - Google Patents
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Abstract
一种变速恒频双馈发电机实验模拟系统及其实验方法。包括风机模拟控制器[1]，交流拖动电机[2]，DSP单元[6]，电量采集单元[7]、速度测量单元[8]以及驱动单元[9]。它对风机特性进行模拟，利用风机模拟控制器[1]控制交流拖动电机[2]运转，在不具备风场环境的实验室内也可以模拟出风机的实际工作特性，给变速恒频风力发电实验带来了极大的方便；风机模拟控制器[1]设定了启动转速和转矩，解决了实验系统的启动问题。这种模拟系统，可以设定不同风机转矩—转速曲线，方便地模拟各种风机运行。同时，风机模拟控制器[1]中地控制过程采用了基于转子磁场定向的前馈解耦非线性控制，这样可以大大提高系统地动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组实验模拟系统，特别涉及采用双馈发电机的变速恒频风力发电机组实验模拟系统。
背景技术
目前，世界上主要的风力发电技术中，变速恒频风力发电技术是最优化的技术，将成为风力发电技术的发展方向。变速恒频风力发电机组控制的核心部分是是双馈发电机的励磁控制。在风机模拟实验平台上进行双馈发电机励磁控制调试是开发风力发电机组的一个重要环节。在风机上直接进行实验有许多缺点，首先风机系统比较复杂，在风机系统中除了发电机之外，还有浆矩调节系统、液压系统、偏航解缆系统、齿轮箱子系统、高速制动系统等，而且子系统之间互相影响，如此复杂的系统给双馈发电机的励磁控制调试带来了极大的不便，大大增加了励磁控制的调试周期；其次，大多数风机高度都在几十米以上，机舱的空间狭小，调试一旦出现问题，调试人员就会往返于风机与地面之间进行检查，在调试阶段会大大降低效率；再次，风能是随机的，由于事先不能确切地知道风况，在调试时就会出现各种突发事件，给调试带来了难度；同时还有成本问题，一套兆瓦级变速恒频风机发电机机组大约需要1000万人民币。
目前进行变速恒频双馈发电机系统实验时，大多用一台直流电机或交流电机作为拖动机，通过联轴结与双馈发电机相连，拖动双馈发电机旋转，进行实验。但是，直流电机或交流电机拖动时的特性与风轮机特性不一致，不能真实地模拟风机运行特性，从而影响实验的效果。
发明内容
本发明的目的是针对变速恒频风力发电机组现场调试困难，提供一种变速恒频风力双馈发电机实验模拟系统，本发明实验模拟系统采用交流拖动电机，通过设计控制算法使交流拖动电机完全模拟风机特性运行，进行实验的效果与真实风机环境一样。
本发明变速恒频风力双馈发电机实验模拟系统主要包括：
一个交流拖动电机以及该交流拖动电机的风机模拟控制器、一个双馈发电机、一个装在双馈发电机转子侧的励磁变换器，该励磁变换器能够四象限工作、一个用于连接电网与双馈发电机定子侧的接触器。风机模拟控制器包括：DSP单元，电量采集单元，速度测量单元，驱动单元，人机通信单元；所述DSP单元采用TI公司的TMS320LF2407。
风机模拟控制器与交流拖动电机相连；交流拖动电机通过联轴节与双馈发电机的转动轴承连接；双馈发电机的转子绕组与励磁变换器连接；励磁变换器的输入侧与电网连接；双馈发电机的定子与接触器连接；接触器的另外一端与电网相连；DSP单元的AD采样单元、正交解码器单元及PWM发生器分别与电量测量单元、速度测量单元及驱动单元的信号线相连接；电量测量单元的输入与交流拖动电机的三相电流信号连接；速度测量单元与交流拖动电机转子侧的光电码盘的输出信号相连接；驱动单元与风机模拟器的功率开关器件的基极驱动端子相连接。
本发明利用风机模拟控制器控制交流拖动电机按照风机运行特性工作。模拟控制器控制工作过程如下：(1)系统上电开始运行自检程序，检查系统状态是否正常。(2)若系统状态正常，利用人机通信单元，输入变速恒频风力发电机组的运行模式，运行模式分为速度给定模式和转矩给定模式两种，当双馈发电机为速度给定模式时，交流拖动电机为转矩给定运行，当双馈发电机为转矩给定模式时，交流拖动电机为转速给定运行；(3)若步骤(2)选定了速度给定模式，通过人机通信单元输入要模拟风机的最优转矩-速度曲线，风机模拟控制器按照人机通信单元设置的启动转矩控制，使双馈发电机逐渐升速，然后利用速度测量单元检测交流拖动电机转速是否达到启动转速，若检测结果为否，则继续检测转速；(4)若步骤(3)交流拖动电机达到了启动转速，风机模拟控制器根据转矩-速度曲线来设定转矩给定；(5)若步骤(2)选定了转矩给定模式，仍然通过人机通信单元输入要模拟风机的最优转矩-速度曲线，根据转矩-速度曲线查找到模拟风机启动速度作为交流拖动电机的速度给定，然后利用电量测量单元检测交流拖动电机的电流，计算出电机转矩，判断交流拖动电机转矩是否达到启动转矩，若检测结果为否，则继续检测转矩；(6)若步骤(5)交流拖动电机达到了启动转矩，风机模拟控制器根据转矩-速度曲线来设定转速给定。这样进行了两种运行模式的风机模拟。
本发明的有益效果：本发明的变速恒频双馈发电机实验模拟系统能够根据风机的空气动力学特性，在不具备风场环境的实验室内也可以模拟出风机的实际工作特性，给变速恒频风力发电实验带来了极大的方便；同时，风机模拟控制器设定了最小启动转速和转矩，不受双馈发电机的初始静止状态影响，能够独立运行，系统顺利启动。本发明可根据不同的风机模型进行参数进行修改，输入不同的转矩-速度曲线可以方便模拟各种风机运行。
附图说明
图1是本发明的系统强电部分示意图。
图2是风机模拟控制器控制电路结构框图。
图3是电量测量单元中一路电量调理电路图。
图4是速度测量单元电路图。
图5是驱动单元中一路驱动电路图。
图6是交流拖动电机进行风机模拟运行的流程图。
图7是交流拖动电机在转速给定和转矩给定两种模式的控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是变速恒频双馈发电机实验模拟系统的强电部分示意图，图1中强电部分主要包括：风力模拟控制器1，交流拖动风机2，双馈发电机3，励磁变换器4，并网接触器5。其具体连接方式是：风机模拟控制器1与交流拖动电机2相连；交流拖动电机2与双馈发电机3的转动轴承连接；双馈发电机3的转子绕组端子与励磁变换器4连接，该励磁变换器4采用双PWM三相全桥拓扑结构，能够实现双馈发电机转子侧能量的双向流动；励磁变换器4的输入侧与电网连接；双馈发电机3的定子绕组与一个并网接触器5连接；并网接触器5的另外一端与电网相连接。
风机模拟控制器控制电路结构框图如图2所示，风机模拟控制器包括：DSP单元6，电量测量单元7，速度测量单元8，驱动单元9，人机通信单元10。DSP单元6的控制器采用TI公司的TMS320LF2407，该控制器具有强大的处理功能，内部包含AD转换器、正交解码器、PWM发生器及控制用的IO管脚。其连接方式是：DSP单元6内部AD转换器、正交解码器及PWM发生器分别与电量测量单元7、速度测量单元8及驱动单元9的信号线相连接；电量测量单元7的输入与三相电机定子的电流信号连接；速度测量单元8与交流拖动电机2轴上光电码盘的输出信号相连接；驱动单元9与风机模拟控制器1强电部分的功率开关器件的基极驱动端子相连接。
DSP单元6的AD转换器把电量测量单元7的模拟信号转换成数字信号，电量测量单元6中的一路测量调理电路如图3所示，其连接及工作过程是：首先强电部分的电流经过电流传感器变换为正、负1.65V的交流电压信号Vout，Vout信号与一个1.65V的直流偏置信号分别经过10k的电阻R21、R22与U1C的反相端相连，U1C的正相端经过10k的电阻R23接地，U1C的输出经过10k反馈电阻的R24反馈到U1C的反向输入端，这样构成了反向加法运算电路，将输入正、负1.65V交流电压信号加上1.65V偏置电压后取反变换成0V到负3.3V的交流信号；其次U1C的输出信号经过10k的电阻R25连接到运算放大器U1D的方向输入端，U1D的正相输入端经过10k的电阻R27与地相连，U1D的输出端经过10k的反馈电阻R26反馈到U1D的方向输入端，这样构成了一个反向运算电路，可以将输入的0V到负3.3V的交流信号变换成0V到3.3V的信号；最后U1D的输出信号经过电阻R28，电容C22的RC低通滤波电路进行滤波，以及经过二极管D21、D22限幅电路处理，输出给DSP单元的AD转换，输出给DSP的AD单元，进行采样。
DSP单元6的正交解码器通过信号线，接收来自速度测量单元8的电机码盘信号，速度测量单元8的电路图如图4所示，固定在交流拖动电机2转子上的光电码盘输出的脉冲信号A、B连接到速度测量单元8的J18接口，A、B信号分别经过1k的上拉电阻R162、R172与12V供电电源相连接。A、B信号是相位互差90度的正交脉冲信号，用来测量交流电机2的速度。为增强速度测量单元7的抗干扰能力，A、B信号分别通过高速光耦U16、U17进行隔离处理，光耦的隔离副边CONA、CONB信号经过2k的上拉电阻R161、R171与5V电源相连接，其输出信号与DSP单元6的正交解码单元连接，用来测量速度。
DSP单元6的PWM发生器与驱动单元9相连接，为风机模拟控制器1的功率管提供驱动信号。驱动单元9的一路驱动如图5所示。DSP单元的PWM发生器的驱动信号首先经过330欧姆的电阻R3与3.3V电源VCC相连，然后经过驱动放大器7407进行驱动信号的放大，驱动信号的输出经过高速光耦OPT1进行驱动信号的隔离，光耦OPT1的副边隔离输出信号与风机模拟控制器1的功率管的驱动管脚相连，其中输出的驱动信号CP11经过一个6.8k的电阻R1与SPR1管脚相连，完成风机模拟控制器1的驱动。
人机通信单元10采用液晶面板作为显示界面，配有显示和控制键盘，通过CAN通信接口与DSP单元6连接。
图6为本发明模拟控制器控制工作过程流程框图。
如图6所示，在步骤101，首先系统上电进行自检，若步骤102的判断结果为“是”，控制流程进入步骤103，在该步骤中，通过人机通信单元10向DSP单元6输入双馈发电机的运行模式，运行模式包括转速给定运行模式和转矩给定运行模式，当双馈发电机3为速度给定模式时，交流拖动电机2为转矩给定运行，当双馈发电机3为转矩给定模式时，交流拖动电机2为转速给定运行。随后，DSP单元6的控制流程进入步骤105。另一方面，如果在步骤102中的判断结果是“非”，则控制流程进入到步骤104，在该步骤中向人机通信单元10传送故障报警信息，然后流程结束。
在步骤105中，利用DSP单元6检测双馈发电机的运行模式，判断是否为转速给定模式，判断结果是“是”控制流程进入步骤106。在步骤106中，利用人机通信单元10向DSP单元6输入所要模拟风机的最优转矩-速度曲线表格，完成之后进入了步骤108，通过人机通信单元10向DSP单元6输入机组的启动转矩，通过PWM驱动单元9驱动风机模拟控制器1的功率主电路，使交流拖动电机2升速旋转。在步骤108之后的步骤109，应用速度测量单元8判断交流拖动电机2的转速是否达到了启动转速，在步骤109的判断结果是“否”，则控制流程继续进入步骤109，进行转速的检测判断。若在步骤109的判断结果是“是”，在步骤110中，DSP单元6根据人机通信单元10输入的转矩-速度曲线，通过查表的方法，确定双馈发电机在该转速下满足风机特性运行所需要的转矩值，将该转矩值作为风机模拟控制器1的给定值，然后，在步骤111通过基于磁场定向原理对交流拖动电机2的转矩进行控制，则交流拖动电机2就会按照风机特性运行，完成了风机最优转矩-速度曲线运行的模拟。
如果在步骤105的判断结果是“否”，也就是说，双馈发电机3的运行模式为转矩运行模式，此时交流拖动电机2应该为转速给定运行，则控制流程进入步骤107。在步骤107中，同样利用人机通信单元10向DSP单元6输入所要模拟风机的最优转矩-速度曲线表格，完成之后进入了步骤112，通过人机通信单元10向DSP单元6输入机组的启动转速，通过PWM驱动单元9驱动风机模拟控制器1的功率主电路，使交流拖动电机2升速旋转。在步骤112之后的步骤113，判断交流拖动电机2的转矩是否达到了启动转矩，在步骤113的判断结果是“否”，则控制流程继续进入步骤113，进行转矩的检测判断。若在步骤113的判断结果是“是”，在步骤114中，DSP单元6根据人机通信单元10输入的转矩-速度曲线，通过查表的方法，确定双馈发电机在某个转矩下满足风机特性运行所需要的转速值，将该转速值作为风机模拟控制器1的给定值，然后，在步骤115通过基于磁场定向原理对交流拖动电机2的转速进行控制，则交流拖动电机2就会按照风机特性运行，完成了风机最优转矩-速度曲线运行的模拟。
图7表示了交流拖动电机在转矩和转速给定下的控制原理框图。它是步骤110、111、114、115的具体实现方法，虚线框为转矩给定模式。
交流拖动电机2的励磁控制采用开环控制，在DSP单元6中，由磁链给定值ψ*计算出电机定子的励磁电流给定值ids *的大小，ids *与电流单元7的测量值形成闭环PI控制，PI控制器的输出加上电压补偿项ωliqs(Ls-Lm 2/Lr)得到d轴的全电压给定值。
当交流拖动电机2为转速给定时，风机模拟控制器1运行模式为转矩模式，根据当前输入的转矩-转速曲线，查表得出交流拖动电机2的转速给定值，DSP单元6采用双闭环控制，外环为速度环控制速度，内环为电流环，能够改善系统的动态性能，内环电流环PI闭环控制器的输出结果加上前馈电压补偿项ωlids(Ls-Lm 2/Lr)+ωlLmψ/Lr得到q轴的全电压给定值，与d轴的全电压给定值一起，经过旋转变换和2/3变换，得到静止3相坐标系下的三相电压给定，采用SPWM调制算法，通过PWM驱动单元9驱动风机模拟控制器1的功率管，将三相电压施加到交流拖动电机2的定子绕组上。
当交流拖动电机2为转矩给定时，风机模拟控制器1运行模式为转速模式，根据当前输入的转矩一转速曲线，查表得出交流拖动电机2的转矩给定值，DSP单元6根据转矩给定值计算出转矩电流分量给定，同样地内环电流环PI闭环控制器的输出结果加上前馈电压补偿项ωlids(Ls-Lm 2/Lr)+ωlLmψ/Lr得到q轴的全电压给定值，与d轴的全电压给定值一起，经过旋转变换和2/3变换，得到静止3相坐标系下的三相电压给定，采用SPWM调制算法，通过PWM驱动单元9驱动风机模拟控制器1的功率管，将三相电压施加到交流拖动电机2的定子绕组上。
尽管以上通过最佳实例叙述了本发明，但本发明并不限于该实例。在不脱离本发明精神的前提下，还可以做出各种变化和变换。例如，本例可以用来模拟变速恒频风力双馈发电机系统，作为一种替代方案，本例中把转矩-转速曲线设定为水流特性，也可以在模拟水力双馈发电机系统实验中实施。
Claims (5)
1、一种变速恒频双馈发电机实验模拟系统，主要包括一个交流拖动电机[2]、一个双馈感应电机[3]、一个装在发电机转子侧，能够四象限工作的励磁变换器[4]、接触器[5]，交流拖动电机[2]与双馈发电机[3]的转动轴承连接，双馈发电机[3]的转子绕组端子与励磁变换器[4]连接，励磁变换器[4]的输入侧与电网连接，双馈发电机[3]的定子绕组与一个并网接触器[5]连接，并网接触器[5]的另外一端与电网相连接，其特征在于：还包括一个[1]与交流拖动电机[2]相连的风机模拟控制器[1]；风机模拟控制器[1]包括DSP单元[6]，电量测量单元[7]，速度测量单元[8]，驱动单元[9]，人机通信单元[10]；DSP单元[6]内部AD转换器、正交解码器及PWM发生器分别与电量测量单元[7]、速度测量单元[8]及驱动单元[9]的信号线相连接；电量测量单元[7]的输入与三相电机定子的电流信号连接；速度测量单元[8]与交流拖动电机轴上光电码盘的输出信号相连接；驱动单元[9]与强电部分风机模拟控制器[1]的功率开关器件的基极驱动端子相连接。
2、按照权利要求1所说的变速恒频双馈发电机实验模拟系统，其特征在于风机模拟控制器[1]按以下步骤模拟风机特性运行：
在步骤101，首先系统上电进行自检，若步骤102的判断结果为“是”，控制流程进入步骤103，人机通信单元[10]向DSP单元[6]输入双馈发电机的运行模式，运行模式包括转速给定运行模式和转矩给定运行模式，当双馈发电机[3]为速度给定模式时，交流拖动电机[2]为转矩给定运行，当双馈发电机[3]为转矩给定模式时，交流拖动电机[2]为转速给定运行；随后，DSP单元[6]的控制流程进入步骤105；若步骤[102]中的判断结果为“非”，则控制流程进入到步骤104，向人机通信单元[10]传送故障报警信息，然后流程结束。
在步骤105中，DSP单元[6]检测双馈发电机的运行模式，判断是否为转速给定模式，若判断结果为“是”，进入步骤106，在步骤106中，人机通信单元[10]向DSP单元[6]输入所要模拟风机的最优转矩—速度曲线表格，完成之后进入步骤108，人机通信单元[10]向DSP单元[6]输入机组的启动转矩，通过PWM驱动单元[9]驱动风机模拟控制器[1]的功率主电路，使交流拖动电机[2]升速旋转；在步骤108之后的步骤109，速度测量单元[8]判断交流拖动电机[2]的转速是否达到了启动转速，若判断结果是“否”，则控制流程返回步骤109，继续进行转速的检测判断。若步骤109的判断结果为“是”，执行下一步骤110；在步骤110中，DSP单元[6]根据人机通信单元[10]输入的转矩—速度曲线，通过查表的方法，确定双馈发电机在该转速下满足风机特性运行所需要的转矩值，将该转矩值作为风机模拟控制器[1]的给定值，然后，在步骤111通过基于磁场定向原理对交流拖动电机[2]的转矩进行控制，则交流拖动电机[2]就会按照风机特性运行，完成了风机最优转矩—速度曲线运行的模拟。
如果步骤105的判断结果为“否”，即双馈发电机[3]的运行模式为转矩运行模式，此时交流拖动电机[2]为转速给定运行，则控制流程进入步骤107；在步骤107中，同样利用人机通信单元[10]向DSP单元[6]输入所要模拟风机的最优转矩—速度曲线表格，完成之后进入步骤112，通过人机通信单元[10]向DSP单元[6]输入机组的启动转速，通过PWM驱动单元[9]驱动风机模拟控制器[1]的功率主电路，使交流拖动电机[2]升速旋转。在步骤112之后的步骤113，判断交流拖动电机[2]的转矩是否达到了启动转矩，在步骤113的判断结果是“否”，则控制流程继续进入步骤113，进行转矩的检测判断；若在步骤113的判断结果为“是”，执行步骤114；在步骤114中，DSP单元[6]根据人机通信单元[10]输入的转矩—速度曲线，通过查表的方法，确定双馈发电机在某个转矩下满足风机特性运行所需要的转速值，将该转速值作为风机模拟控制器[1]的给定值，然后，在步骤115通过基于磁场定向原理对交流拖动电机[2]的转速进行控制，则交流拖动电机[2]就会按照风机特性运行，完成了风机最优转矩—速度曲线运行的模拟。
3、照权利要求1所说的变速恒频双馈发电机实验模拟系统，其特征在于该实验模拟系统采用了基于转子磁场定向的前向解耦非线性控制：不论交流拖动电机[2]工作在转速给定还是转矩给定，得出的转矩电流分量首先与转矩电流测量值做差得到偏差信号，偏差信号经过PI控制器调节的输出结果加上前馈电压补偿项ω1ids(Ls-Lm 2/Lr)+ω1Lmψ/Lr作为q轴的全电压给定值，与d轴的全电压给定值一起，经过旋转变换和2/3变换，得到静止3相坐标系下的三相电压给定，采用SPWM调制算法，通过PWM驱动单元[9]驱动风机模拟控制器[1]的功率开关管，将三相电压施加到交流拖动电机2的定子绕组上，实现转子磁场定向的前向解耦非线性控制。
4、按照权利要求1所说的变速恒频双馈发电机实验模拟系统，其特征在于：风机模拟控制器[1]设定了最小启动转矩和转速，不受双馈发电机的初始静止状态影响，能够独立运行，顺利启动系统。
5、按照权利要求1所说的变速恒频双馈发电机实验模拟系统，其特征在于：该模拟系统可根据不同的风机模型修改参数，输入不同的转矩—速度曲线即可方便模拟各种风机运行。
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