CN201118251Y - 直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，包括微处理器，所述微处理器同时与永磁同步发电机、三相整流电路、滤波电路、三相全桥逆变电路、变压器连接。本实用新型可以较好地实现风能跟踪，稳定性高，可靠性高，小型化、便于维护和提高性能等控制效果，从而使整个系统控制简单、成本低廉等优点。

Description

直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节系统

技术领域

本实用新型涉及发电机控制领域，具体涉及到直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节系统。

背景技术

随着全球能源消耗速度的持续增长，常规能源资源日益枯竭。风能发电以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。与传统的风力发电机组拓扑结构相比，直驱式永磁同步风力发电机组因无需变速箱和传动装置等，具有缩短驱动链、减少机械应力、降低机械噪声，提高输出电能质量、增加能量捕捉等优点。随着电力电子技术和电机技术的发展、永磁材料和现代控制技术的引入，直驱式永磁风力发电机组是风力发电发展的趋势，国外形容其为风力发电的一场革命。风力发电技术的发展主要体现在并网型风力发电机组的并网技术以及最大风能捕获即功率调节的控制技术上的提高。国内外对直驱式永磁同步风力发电机组的交流并网控制及最大风能捕获进行了一定的研究。

风力机系统是一个非线性不稳定的复杂系统，系统具有不确定性，传统的变速控制模式需要首先建立一个有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的确定不是件容易的事情。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因数中，研究人员发现，由于雷诺数的变化会引起在功率上5％的误差，而由于叶片上的沉积物和下雨可造成20％的功率变化，其它诸如大气条件和老化等因素，也将在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。

综上所述，传统的风力发电系统存在以下缺陷或不足：

1、传统的复杂的控制发电机数学模型的方法或通过中间直流变换或通过功率扰动实现风能跟踪的方法，过分依赖数学模型，不能有效实现最大风能的跟踪及捕获。

2、现有的风力发电系统，一部分没有采用并网准周期装置或采用自同期装置，在并网瞬间，造成对发电机和电力电子装置电流冲击、电压应力很大；另一些即使采用并网准周期装置，因并网与功率调节装置分离，硬件结构复杂，成本昂贵，增加整机造价。

3、现有的风力发电系统大部分采用异步发电机直接接入电网，发电质量不高，谐波污染严重。

4、现有的风力发电系统或控制算法繁琐或鲁棒性不强，缺乏对直驱式永磁同步风力发电机组交流并网及功率调节控制系统的简单可靠性研究。

5、传动的风力发电系统大部分因采用变速箱，增加了传动、驱动链和机械、摩擦损耗，造成能源浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节系统，本实用新型并网与功率调节装置合二为一，并能实现风能最大捕获、控制方法简单、系统结构简单、稳定性好、成本低廉且易于实现。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，包括微处理器，所述微处理器同时与永磁同步发电机、三相整流电路、滤波电路、三相全桥逆变电路、变压器连接。

所述微处理器的输入端通过发电机输出电压互感器及其运算放大器与永磁同步发电机的输出端连接；所述微处理器的输入端通过电压互感器及其运算放大器与滤波电路的输出端连接；所述微处理器的输出端通过IGBT驱动模块与三相全桥逆变器电压互感器的输入端连接，所述微处理器的输入端通过逆变器电压互感器及其运算放大器与三相全桥逆变器电压互感器的输出端连接；所述微处理器的输入端依次通过同步锁相控制电路、整形电路与电网的输出端连接，所述微处理器的输入端还通过电压及其运算放大器、电流互感器及其运算放大器与电网的输出端连接。

所述微处理器是DSP控制器。

所述IGBT驱动模块是EXB841。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型通过逆变器输出电压与电网电压的相位功角控制，从而对网侧输出功率直接控制，无需控制发电机，可以较好地实现最大风能跟踪；

2、本实用新型可以实现变速恒频、最大风能跟踪、无冲击并网控制，而且并网电流谐波含量很低，是一种简单可行且具有实用价值的控制方法；

3、本实用新型采用自带内置的AD转换模块的控制芯片DSP2407，其高度集成化，数字化和高速的运算功能，用它来做整个系统的数字直接控制时，可获得高稳定性，高可靠性，小型化、便于维护和提高性能等控制效果，从而使整个系统控制简单，稳定性好，成本低廉等特点；

4、本实用新型提供的直驱式永磁同步风力发电机比传统的风力发电机更加简单可靠，是一种较好的并网型风力发电方式。不可控整流加可控逆变的交直交结构是直驱式风力发电机较理想的并网电路。

附图说明

图1为本实用新型直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节系统的结构示意图；

图2为本实用新型的并网型直驱式永磁同步风力发电机组功率流动示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，包括微处理器，所述微处理器的输入端通过发电机输出电压互感器及其运算放大器与永磁同步发电机的输出端连接；所述微处理器的输入端通过电压互感器及其运算放大器与滤波电路的输出端连接；所述微处理器的输出端通过IGBT驱动模块与三相全桥逆变器电压互感器的输入端连接，所述微处理器的输入端通过逆变器电压互感器及其运算放大器与三相全桥逆变器电压互感器的输出端连接；所述微处理器的输入端依次通过同步锁相控制电路、整形电路与电网的输出端连接，所述微处理器的输入端还通过电压及其运算放大器、电流互感器及其运算放大器与电网的输出端连接。所述风轮与永磁同步发电机连接，所述永磁同步发电机依次通过三相整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器与升压变压器连接。所述微处理器还同时连接有时钟电路和电源电路。

本实用新型微处理器是TI公司的TMS320F2407型DSP控制器，TI公司的TMS320F2407型DSP控制器片内包含4个定时器/比较器T1、T2、T3和T4。其中，T1，T3分别可做为通用比较器1/2/3和4/5/6的时基，T2可作为系统时钟，T4可作为模数转换的时钟。所述IGBT驱动模块是EXB841。

分析风力机的功率特性可知，一定风速下，风力机功率曲线有一最大功率点，将不同风速的最大功率点连起来即为最优功率曲线。最优功率曲线只与转速有关：

$P_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}{C}_{P\max }{\mathrm{A\ρ\υ}}^3---\left(1\right),$

$T=\frac{P_m}{{\mathrm{\ω}}_m}=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{A\ρ}\frac{R}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\υ}}^2---\left(2\right),$

式中：P_opt为风轮最大输出功率；C_pmax为风轮的利用系数；A＝πR²为风轮扫掠面积；ρ为空气密度；υ为风速；R为风轮半径， $\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{m}R}{\mathrm{\υ}}$ 为叶尖速比，ω_m为风轮机械角速度，α为风机桨矩角，T为机械转矩。由式(1)和式(2)可知，最大风能跟踪的要求就是风速变化时转速跟踪变化，保持运行在最优功率曲线上。

如图1所示，采用不可控整流和可控逆变作为直驱式永磁同步风力发电机，框图中可控逆变部分不仅完成DC/AC逆变功能，还实现并网装置功能。为保证并网瞬间发电机与电网上的电压、频率一致，通过微处理器采集电网电压、频率、相位等参数，然后作为调制波控制逆变器输出电压，当逆变器输出电压跟踪电网电压变化时，在任意时刻，可进行合闸并网。此种并网方式，并网瞬间不会产生冲击电流，不会引起电网电压的下降，也不会对发电机定子绕组及其它机械部件造成损坏。

本实用新型电网交流采样采用基于正弦函数模型的算法，其核心思想为：假设电流、电压为理想的正弦波，利用相差为π/2角度的两点互为正余弦的特点来构成两点乘积算法。因当并网处电网远离污染源时，无穷大电网与理想正弦波很接近，所以假设电流、电压为理想的正弦波是可行的，以电流为例，可表示： $i\left(t\right)=\sqrt{2}I\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\α}}_I),$ 式中I为有效值，ω为角频率，α_I为初相角，设每个周波采样N点，n为采样时刻，则上式离散化为：

$i\left(n\right)=\sqrt{2}I\sin (n\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}+{\mathrm{\α}}_I);$

设有相隔π/2(即1/4个周波)的两个采样时刻n₁和n₂，满足关系式： $n_1-n_2=\frac{N}{4},$ 用i₁和i₂表示这两个时刻的电流采样值，则有：

$i_1=i\left(n_1\right)=\sqrt{2}I\sin (n_1\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}{\mathrm{\α}}_I)---\left(3\right),$

$i_2=i\left(n_2\right)=\sqrt{2}I\sin (n_2\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}+{\mathrm{\α}}_I)=\sqrt{2}I\cos (n_1\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}+{\mathrm{\α}}_I)---\left(4\right),$

将上两式平方后相加得：

$I^2=\frac{i_1^2+i_2^2}{2}---\left(5\right),$

即可得电流有效值，同理，电压有效值为：

$U^2=\frac{u_1^2+u_2^2}{2}---\left(6\right),$

式中U为电压有效值，u₁和u₂为相隔1/4周波的两个采样点的值。如果构成距离保护，则可进一步得到视在阻抗值Z及其幅角α_Z：

$Z=\frac{U}{I}=\sqrt{\frac{u_1^2+u_2^2}{i_1^2+i_2^2}}---\left(7\right),$

$a_Z=a_U-a_I={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{u_1}{u_2}\right)-{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{i_1}{i_2}\right)---\left(8\right),$ 其中α_u为电压初相角；

该算法本身的数据窗长度为1/4周期，对工频50Hz来说只需5ms，速度是很快的，所以大大减少了计算量，增加了计算速度，对数据储存器(RAM)空间要求也甚少，对DSP处理芯片来说，内置的空间资源已足以，无需扩充外部RAM，从而有效控制了成本。

最大风能捕获即功率调节控制，风力机系统是一个非线性不稳定的复杂系统，系统具有不确定性，传统的变速控制模式需要首先建立一个有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的确定不是件容易的事情。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因数中，研究人员发现，由于雷诺数的变化会引起在功率上5％的误差，而由于叶片上的沉积物和下雨可造成20％的功率变化，其他诸如大气条件和老化等因素，也将在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。相对于传统的复杂的控制发电机数学模型的方法或通过中间直流变换或通过功率扰动实现风能跟踪的方法，本文根据图1所示的结构，提出对逆变器输出电压与电网电压相位功角的控制，从而对网侧变换器输出功率直接控制以实现最大风能跟踪。

忽略发电机定子绕组损耗及附加损耗，有如下功率关系，如图2所示：

$P_m=P_g+J\frac{\mathrm{\ωd\ω}}{\mathrm{dt}}=P_1+C\frac{U_{\mathrm{dc}}{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+J\frac{\mathrm{\ωd\ω}}{\mathrm{dt}}+P_{\mathrm{\Δ}}---\left(8\right)$

式中P_m为风力机输出功率即原动机输入功率，P_g为发电机输出功率，P₁为逆变器输出功率，P_Δ为电力电子部分总的损耗，J为风力机和发电机总的转动惯量，C为直流稳压部分电容值。

只要直接控制网侧逆变器输出有功功率按照式(1)变化，就能实现最大风能跟踪，由于电容在这里主要起稳压作用，其存储能量远小于风力机和发电机的转动动能，所以P_g≈P₁+P_Δ(实际P_g是跟踪P_opt(原动机最佳输入功率)变化)，P_Δ为电力电子部分总的损耗，为实现并网运行的可靠性和控制的简单性出发，从整流装置到逆变器装置的电力电子部分的损耗为一线性变化的量，即随着开关频率和电流的增加或输出功率的变化而线性变化，实际运算可以采用查表。

在本实用新型中，通过最大风能的暂态分析(即在风速稳定的情况下)和最大风能的动态分析(即在风速变化的情况下)对三相全桥逆变器输出功率调及电网电压相位功角的控制实现的最大风能的捕获。

(1)最大风能捕获暂态分析下：

逆变器输出功率为： $p_1=\frac{{\mathrm{mu}}_1{u}_s}{x_t}\sin \mathrm{\δ}---\left(9\right),$ 式中，p₁为逆变器输出功率，m为相数，u₁为逆变器输出电压，u_S为网测电压，x_t为变压器及线路等效阻抗，δ为u₁与u_S的夹角，即功角。

假设电力电子部分总的损耗为：p_Δ＝kp₁(10)，式中，p_Δ为电力电子部分总的损耗，k为系数，根据p₁的变化而变化，通过查表法可得。

发电机输出功率为：p_g＝p₁+p_Δ＝p₁+kp₁＝(1+k)p₁＝ηp₁(11)式中，p_g为发电机输出功率，η＝1+k为转换系数。

忽略定子绕组电阻损耗及附加损耗时，发电机的输出功率p_g近似等于其电磁功率，即：p_g≈P_em＝T_emΩ_r(12)，式中：P_em为电磁功率；T_em为发电机的电磁转矩；Ω_r为发电机转子同步旋转角速度。

根据能量及功率守恒和上面(1)~(4)式可得： $T_{\mathrm{em}}{\mathrm{\Ω}}_r=\mathrm{\η}{p}_1=\mathrm{\η}\frac{u_1{u}_s}{x_t}\sin \mathrm{\δ}---\left(13\right),$

由(13)式可得功角为： $\mathrm{\δ}=\mathrm{acr}\sin \left(\frac{T_{\mathrm{em}}{\mathrm{\Ω}}_r{x}_t}{\mathrm{\η}{u}_1{u}_s}\right)=\mathrm{acr}\sin \left(\frac{P_g{x}_t}{\mathrm{\η}{u}_1{u}_s}\right)---\left(14\right),$

由(14)式可得功角为： ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{opt}}=\mathrm{acr}\sin \left(\frac{\mathrm{\α}{P}_{\mathrm{opt}}{x}_t}{\mathrm{\η}{u}_1{u}_s}\right)---\left(15\right)$ 式中，α为发电机转换效率，δ_opt为最佳功角。

(2)在最大风能捕获动态分析下：

根据转子运动方程得： $J\frac{d{\mathrm{\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{P_m}{{\mathrm{\Ω}}_r}-\frac{P_{\mathrm{em}}}{{\mathrm{\Ω}}_r}-k_D{\mathrm{\Ω}}_r---\left(16\right),$

因为：p_g≈P_em＝T_emΩ_r，且 $p_g=\mathrm{\η}\frac{m{u}_1{u}_s}{x_t}\sin \mathrm{\δ},$ 式中：k_D为发电机粘滞系数，m为相数，随意我们可以构造控制方程，假设令：

$p_g=\left({\mathrm{\Ω}}_r\right)p_g^{*}+(p_m-p_{\mathrm{opt}})-k_D({\mathrm{\Ω}}_r^2-{{\mathrm{\Ω}}^{*}}_r^2)+k_1{\mathrm{\Ω}}_r({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*})---\left(17\right),$ 其中p_g ^*为最佳功率，又因为： $p_g^{*}=\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{mu}}_1{u}_s}{x_t}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{opt}},$ 所以 ${\mathrm{J\Ω}}_r\frac{d{\mathrm{\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=P_m-P_g-k_D{{\mathrm{\Ω}}_r}^2$ 代入(17)式，即 ${\mathrm{J\Ω}}_r\frac{{\mathrm{d\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=P_m-(p_g^{*}+(p_m-p_{\mathrm{opt}})-k_D({\mathrm{\Ω}}_r^2-{{\mathrm{\Ω}}^{*}}_r^2)+k_1{\mathrm{\Ω}}_r({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*}))-k_D{{\mathrm{\Ω}}_r}^2,$ 由此可得 ${\mathrm{J\Ω}}_r\frac{{\mathrm{d\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-p_g^{*}+p_{\mathrm{opt}}-k_D{{\mathrm{\Ω}}^{*}}_r^2-k_1{\mathrm{\Ω}}_r({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*}),$ 其中式中：k₁为大于零的常量，Ω_r ^*为发电机转子最佳同步旋转角速度

风机稳态运行时：Ω_r＝Ω_r ^*，则 $\frac{p_{\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\Ω}}_r^{*}}-\frac{p_g^{*}}{{\mathrm{\Ω}}_r^{*}}-k_D{\mathrm{\Ω}}_r^{*2}=0---\left(18\right),$

风机非稳态运行时： $J\frac{d{\mathrm{\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-k_1({\mathrm{\Ω}}_r-{\mathrm{\Ω}}_r^{*})---\left(19\right),$

由(17)～(19)式得

$J\frac{{\mathrm{d\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=J\frac{{\mathrm{d\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*}}{\mathrm{dt}}=-k_1({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*})$ 令 $A=-\frac{k_1}{J}---\left(20\right)$

即： $\frac{d({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*})}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=f(x,t)=A({\mathrm{\Ω}}_r-{{\mathrm{\Ω}}_r}^{*})$ 令x＝Ω_r-Ω_r ^*        (21)，

由此可得Ω_r-Ω_r ^*＝x＝ce^At    (22)。

为防止发电机进入不稳定区域，对功角δ的控制必须满足以下条件：δ≤90°

又因为： $p_g=\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{mu}}_1{u}_s}{x_t}\sin \mathrm{\δ}=\frac{m{E}_0{u}_g}{x_d}{\sin \mathrm{\δ}}_G$

式中，E₀为转子励磁磁场在定子上产生的电势，u_g为发电机定子输出电压，δ_G为发电机功角，x_d为定子阻抗

因为： $(1-k)\frac{E_0{u}_g}{x_d}{\sin \mathrm{\&delta;}}_g=\frac{u_1{u}_s}{x_t}\sin \mathrm{\&delta;}<(1-k)\frac{E_0{u}_g}{x_d},---\left(23\right)$ 又因为：E₀＝k₃ω，u可测，则 $\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&delta;}}_{\max }<\arcsin (1-k)\frac{x_t}{x_d}\&CenterDot;\frac{k_3\mathrm{\&omega;}{u}_g}{u_1{u}_s}---\left(24\right)$ 由此可得，功角δ只需按照上式变化并满足上式要求即可，从而实现了风能的最大捕获，在随机变化的风速中，能平稳的跟踪风速变化，对设备和装置的冲击降低到最少，保证了最佳状态运行和最大功率输出。

Claims (4)

1. 一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，其特征在于，包括微处理器，所述微处理器同时与永磁同步发电机、三相整流电路、滤波电路、三相全桥逆变电路、变压器连接。

2. 根据权利要求1所述的一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，其特征在于，所述微处理器的输入端通过发电机输出电压互感器及其运算放大器与永磁同步发电机的输出端连接；所述微处理器的输入端通过电压互感器及其运算放大器与滤波电路的输出端连接；所述微处理器的输出端通过IGBT驱动模块与三相全桥逆变器电压互感器的输入端连接，所述微处理器的输入端通过逆变器电压互感器及其运算放大器与三相全桥逆变电路的输出端连接；所述微处理器的输入端依次通过同步锁相控制电路、整形电路与电网的输出端连接，所述微处理器的输入端还通过电压及其运算放大器、电流互感器及其运算放大器与电网的输出端连接。

3. 根据权利要求1所述的一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，其特征在于，所述微处理器是DSP控制器。

4. 根据权利要求2所述的一种直驱式永磁同步风力发电机并网与功率调节控制系统，其特征在于，所述IGBT驱动模块是EXB841。

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