（电气工程专业论文）2mw变速恒频风力发电机组控制系统的研究与设计.pdf

a b s t r ac t e n v i r o n m e n ta n de n e r g ya r cu r g e n tp r o b l e m st ob es o l v e di nt h es u r v i v a l a n d d e v e l o p m e n to fh u m a n s t h eu s eo fr e n e w a b l e ，g r e e ne n e r g yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f o r t h em i t i g a t i o no ft h ep r o b l e m si nr e c e n ty e a r s ，i nw h i c h t h ew i n dp o w e rh a sd r a w n g r e a ta t t e n t i o nf o ri t so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，a n dh a sb e c o m eat e c h n o l o g y i nn e w e n e r g ya r e aa st r e m e n d o u ss c h o l a r s r e s e a r c hh o t s p o t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fw i n dp o w e rt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d a n a l y s e s t w ok i n d so ft h em o s tw i d e l ya p p l i e dw i n dp o w e rg e n e r a t o r s a d v a n t a g e so fw i n dp o w e rg e n e r a t o r w i t hv a r i a b l es p e e da n dc o n s t a n tf r e q u e n c y , s u c n a sh i g hu t i l i z a t i o nr a t i oo fw i n dp o w e ra n ds t a b l ep o w e ro u t p u t ，a r ed e s c r i b e d t h l s p a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h em e g a w a t tw i n dp o w e rg e n e r a t o rw i t hv a r i a b l e s p e e da n dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，d e s c r i b e st h ef u n c t i o n so ft h ec o n s t i t u e n tp a r t s t h l s p a p e ra l s os t u d i e st h ep r i n c i p l eo fd o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r i nd e t a i l ，i n c l u d i n g t h ec o n t r o lo fs t a t o rv o l t a g e ，r o t a t i n gs p e e da n dp o w e r o ft h em o t o r sa n ds oo n t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a x i m u mw i n de n e r g yc a p t u r ep r i n c i p l ew h e nt h ew i n d s p e e di sb e l o wt h er a t e dv a l u e t h i sp a p e ra d o p t sa m e t h o dw h i c hh a sc o m b i n e dt h e w i n ds p e e dd e t e c t i o na n dh i l l c l i m b i n gc o n t r o la l g o r i t h mt or e a l i z et h em a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g t h ea d o p t e dm e t h o d i sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ea n dp r e c i s e t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h eh i l l c l i m b i n gc o n t r o la l g o r i t h ma p p l i e d t oy a wc o n t r o ls y s t e m a n a l y s e s t h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ea l g o r i t h m t h e s o f t w a r ed e s i g no ft h e m a x i m u mw i n de n e r g ya n dy a wc o n t r o la r ec o m p l e t e d t h ec o n t r o ls y s t e mo fa2 w mw i n dp o w e rg e n e r a t o rw i t hv a r i a b l es p e e da n d c o n s t a n tf r e q u e n c yi sa n a l y s e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o ls y s t e mh a sa m a s t e r s l a v es t r u c t u r ei nw h i c ht h em a i nc o n t r o l l e ro fg e n e r a t o ri s t h ec o r e t h e c o n n e c t i o n sb e t w e e nm a i nc o n t r o l l e ra n ds l a v ec o n t r o l l e r , a sw e l la st h ec o n n e c t i o n b e t w e e ns l a v ec o n t r o l l e r s ，a r ea l lr e a l i z e dv i ac a n b u s ，i te n s u r e st h er e a l t i m ea n d s t a b i l i t yo ft h et r a n s m i s s i o no fc o n t r o ls i g n a l ，s t a t u sv a l u e a n dd e t e c t i o nv a l u e t h ed e s i g n e dm a i nc o n t r o l l e ro ft h eg e n e r a t o r sb a s e do nf p g a e m b e d d e ds y s t e m h a si n t e g r a t e dt h e3 2 b i tp r o c e s s o r , t h ec a nb u sc o n t r o l l e r a n dag i g a b i te t h e r n e t m a cc o n t r o i l e r t h et e s t i n gu n i t sa r ea l s od e s i g n e dt oc o m p l e t et h em e a s u r e m e n t o f t h et e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e da n dw i n dd i r e c t i o n t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sa d o p t e dt w od s pp r o c e s s o rt oc o n t r o lt h el i n es 1 d e m p w mc o n v e r t e ra n dt h er o t o rs i d ep w mc o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l y t h ei g b t d r i v e ri c p r o d u c e db yc o n c e p tc o m p a n yi su s e di nt h ed e s i g n ，w h i c hh a sf u n c t i o n ss u c ha s h a r d w a r es h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o na n do v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n b a s e do nt h ea d v a n t a g e s o ft h ei g b td r i v e ri c ，t h ei g b ta l a r mc i r c u i ti s d e s i g n e di nw h i c ht h es o f t w a r e p r o t e c t i o ni sa d d e dt oi m p r o v et h es a f e t yo ft h ep o w e rm o d u l e v a r i o u sv a l u e s i n c l u d i n gt h ev o l t a g e ，c u r r e n ta n dr o t a t i n gs p e e do ft h em o t o r , i sd e t e c t e db vt h e d e t e c t i v eu n i t so ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra n du p l o a d e dt ot h em a i nc o n t r o l l e fo ft h e g e n e r a t o r s t oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h er o t a t i n gs p e e d ，t h ea c t i v ep o w e ra n dt h er e a c t i v e p o w e ro fd f i g , t h eg r i d v o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li sa p p l i e dt ol i n es i d ep w m c o n v e r t e ra n dr o t o rs i d ep w mc o n t r o l l e ro nt h eb a s i so ft h es t a b i l i t yo ft h ed c b u s v o l t a g e t h ev e c t o rc o n t r o lm e t h o da n dt h ef l o wc h a r to ft h ed s pc o n t r o l l e r sa r e a n a l y s e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e s i g ni sa l s oc o m p l e t e d t h i sp a p e rd e s i g n sas y s t e mo fa c t i v ey a wc o n t r 0 1 y a wm o t o ri sc o n t r o l e db vh b r i d g e ，s ot h eo p t i m a ly a w o fw i n dt r u b i n ei sd e t e m i n e d k e yw o r d s ：w i n dp o w e r ；v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ；p w mc o n v e r t e r ； c a p t u r em a x i m u mw i n db n e r g y ；f p g a 。 i v 硕i ：学位论文 1 1 风力发电概述 第1 章绪论 地球自转和区域性太阳辐射热能吸收不均匀引起了空气的循环流动，形成了 风。海路风、山谷风属小规模风；东北季风或台风属大规模风。可再生能源的利 用是人类社会文明进步的表现，是科学技术的发展体现，也是一个地区环保重要 的指标。风能作为一种清洁、可再生能源越来越受到人们的青睐。 地球可利用风能为1 0 7 m w ，是全球电能需求的总和m 。据2 0 0 7 2 0 0 8 年中 国风力发电设备行业分析及投资咨询报告称，7 0 多个国家已经开始使用风能， 装机容量每年增长超过3 0 。1 9 9 6 年起，全球风电装机容量连续1 3 年增速超过 2 0 ，平均增速达到2 8 以上；新增装机维持高位，呈波动性增长，2 0 0 8 年新增 装机容量达到2 7 0 0 0 m w ，同比增长3 6 。 我国探明风能理论储量为3 2 2 6 0 0 0 m w ，可发利用为2 5 3 0 0 0 m w ，近海可利 用风能7 5 0 0 0 0 m w 乜1 。预计到2 0 1 0 年我国风电并网总容量可达2 0 2 4 1 m w ，2 0 2 0 年可以达到2 2 4 9 2 3 m w ，分别将占到国内当时电力装机总量的2 0 2 和1 4 0 6 。 这一切都表明我国的风力发电还处在起步阶段，存在着巨大的市场发展前景口1 。 风力发电不需要燃料、不占耕地、没有污染，倍受世界各国重视。风力发电 是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速器将旋转的速度提升，再带动发电机 发电。风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、 力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。随着桨叶空气动力学、材料、 发电机技术、计算机和控制技术的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容 量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组，功率控制方式从定桨 距失速控制向桨叶变距和变速控制发展，运行可靠性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 ， 提高到现在的9 8 以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控 制和远程控制。 风能的随机性、阵风性、不确定性，导致风力机组所输出的电功率的频率、 电压均随风速变化，因此必须对电能品质进行控制和整定h 1 。风力发电机组通常 由叶轮、传动系统、发电机、励磁系统、偏航系统和控制系统组成。叶轮的作用 是将风能转换为机械能，将气动性能优异的叶片安装在轮毂上，组成叶轮。风轮 转速较低，以保证叶片前端的线速度在叶片材料允许的范围内，通过传动系统由 齿轮箱增速，增速后将机械能传递给发电机。以上部件都安装在机舱内部，整个 机舱由塔架支撑。机舱与塔架之间安装有偏航系统，它根据风向传感器检测的风 2 m w 变速恒频风力发电机组控制系统的研究j 设计 向信号，使风轮对准来风的方向。风力发电机组的控制系统是风力发电机组的“大 脑 ，由它自动完成机组工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。 1 2 风力发电技术研究现状 目前投入运行的并网型机组的风力机按功率调节方式划分有定桨距失速控制 方式和变桨距控制方式。 定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时， 桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶翼本身具有的失速特性，当风速高 于额定风速时，气流的功角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低， 来限制发电机的功率输出。这类风力机一般采用同步电机或者鼠笼式异步电机作 为发电机，发电机的转速必须保持在恒定的数值，保证发电机输出电压频率和幅 值的恒定。因此这种控制方式很难保证较大的风能利用系数。基于上述特点，定 桨距失速控制方式应用于l o - 2 0 0 k w 风力机系统时其性能价格比最优。它并不适 合应用于兆瓦级发电系统。 变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变桨叶叶节距的大小。变桨距风 力机的叶片沿其纵向轴转动来调节功率，因此与定桨距风力发电机组相比，能达 到较高的最大功率值，并且额定功率点功率输出平稳。变桨距控制方式可确保高 风速段的功率恒定，有更好的风轮制动性能等n 5 1 。 随着变桨矩技术的成熟，定桨距机组逐步向变桨距机组转换，特别是在大中 型风力发电机组中也得到了突破性的发展。变桨距的驱动技术则主要有液压与电 气传动两类。液压控制在大中型组中应用较多，电气传动通常应用于桨叶需要独 立可调的场合。现有的风力机基本上都具有由液压系统控制的空气动力刹车系统， 可减少机身振动和刹车片磨损。 叶片、齿轮箱等关键部件也在不断发展进步。在可靠性和大型化等方面取得 了较大的成果。基于空气动力学的优化设计使得叶片叶型趋于成熟，性能更加稳 定。齿轮箱的设计也进一步优化，机械损耗降低，使用寿命增长。直接驱动( 无 齿轮箱) 的新型机组已在实际使用中，并取得了良好的效果。 变速恒频风力发电机组采用了变桨距风力机。变速恒频风力发电机组当输出 功率小于额定功率时，根据风速的大小，调整发电机转速，使其尽量运行在最佳 叶尖速比，优化输出功率。在高风速状态下，保持发电机恒定的功率输出3 。 随着风力发电的大功率趋势化，永磁同步风力发电机与双馈异步风力发电机 正成为兆瓦级并网型风力发电机的两种主力机型。比较目前全球风电场装机机型， 可发现双馈异步风力发电机比永磁同步风力发电机应用更多。 图1 1 是永磁发电机变速恒频发电系统。该系统结构与笼型异步发电机变速 2 硕f j 学位论文 恒频风电机组类似，只是转子为永磁式结构。叶轮与发电机直接耦合，提高系统 可靠性，虽然该系统发电机体积大、成本较高，但省去了增速用齿轮箱，整个系 统的成本还是有所降低。该系统对永磁材料的性能稳定性要求高，发电机的体积 大、重量重，运输安装不便，且发电机成本较高。 图1 1 永磁发电机变速恒频风电系统 双馈异步发电机其结构与绕线式异步电机类似，定子绕组接电网( 或通过变 压器接电网) ，交流励磁电源给转子绕组提供频率、相位、幅值都可调节的励磁电 流，从而实现恒频输出。交流励磁电源只需供给转差功率，大大减少了容量的需 求。双馈风力发电系统中转子侧交直交变流单元功率仅需要2 5 一4 0 的风力机额 定功率，大大降低了功率变流单元的造价；双馈异步风力发电机体积小，运输安 装方便，发电机成本较低。但双馈发电机由于必须使用定转子两套绕组以及滑环， 增加了发电机的维护工作量，还降低了发电机的运行可靠性。转子绕组承受较高 的d v d t ，转子绝缘要求较高。当电网电压突然降低时，电流迅速升高，扭矩迅速 增大，需经常更换发电机碳刷、滑环等易损耗部件。 。 采用变桨距风力机的变速恒频发电机组可使整个系统在很大的速度范围内按 照最佳的效率运行。这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电 技术发展的主要方向口1 。 j ：。 本文将对变速恒频风力发电机组控制系统进行研究、设计。在撰写之初，阅 读了丰富的相关文献，对研究现状有一定的了解。 文献【8 】根据变速恒频双馈风力发电系统对交流励磁电源的要求，首先对目前 适合用作交流励磁电源的六种变换器进行了详细深入地比较分析，认为在目前的 电力电子技术条件下，两电平电压型双p w m 变换器是可用作变速恒频双馈风力 发电机交流励磁电源的最具优势的一种变换器。对网侧p w m 变换器和转子侧 p w m 变换器进行了深入研究。并通过双馈异步电机( d f i g ) 风力发电系统的实 验样机，进行了系统的变速恒频发电系统运行实验研究，取得了有实用价值结论。 文献【9 】中，研究了调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现 变速恒频控制。该文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法，并设计和构建了 基于单片机的变速恒频( v s c f ) 双馈风力发电机的励磁控制试验系统。 文献1 1 0 在分析并网双馈发电机传统矢量控制策略的基础上提出了一种基于 电网电压定向的励磁控制策略，该控制策略仅需要定子侧电流、电网电压和转子 位置角信号，对双馈发电机有功、无功和转速稳态调节特性及机端三相对地突然 3 2 m w 变速恒频风力发电机组控制系统的研究- j 设计 短路的过渡过程进行了仿真研究。 文献f 1 1 】提出了一种变桨矩控制的变速风力机。在中低风速时，通过发电机 和功率控制，风力机可以获取最大风能。在高风速时，控制风力机减少风能的获 取。文中研究了两种调节获取风能大小的方法一一桨叶叶节距的调节和发电机的 负载控制。通过分析和仿真，这种变速风力机在各种风速范围能够最优化风能的 获取。 文献【1 2 】讨论了变速恒频风力机组变桨距机构_ 在低于额定风速阶段和高于额 定风速阶段的不同控制策略，将模型与控制方法相结合的数字仿真表明控制曲线 与预期要求一致。并具体设计了变桨距机构液压控制方案和电机控制方案，提出 了高油压冗余式电液比例变桨距机构的设计思路。 文献 1 3 1 研究了精确测量交流功率的二瓦计法，并将计算公式利用辛普森法 后进行简化，更适合控制系统微控制器( m c u ) 的运算和软件编程。 1 3 本课题研究意义 恒速恒频风力发电机组采用普通同步发电机或异步发电机并通过补偿电容器 直接并网。由于输出电能的频率满足f = p n 6 0 的关系，为了保持发电机输出频率 不变，应使发电机的转速保持不变1 。而风速是不断变化的，风力机很难得到最 佳叶尖速比。这样就降低了风力机的风能利用率，从而总体降低了风力发电机组 的风能利用效率。变速恒频风力发电机组可以根据风速变化，调整电机转速，在 运行中保持最佳叶尖速比，从而获得最佳的风能利用效率。并在高风速时高效安 全的控制发电机功率。虽然目前我国已装机运行的并网型风电机组采用得最多的 是定桨距失速控制风力发电机组，但由于变速恒频发电机组的优点，其发展速度 己远远大于定桨距失速控制风力发电机组的发展速度。风力发电机组制造商预计 定桨距失速控制风力发电机组的市场寿命只有1 3 年的时间。因此针对变速恒频 风力发电机组进行研究是符合发展潮流的。 兆瓦级变速恒频风力发电机组的控制技术较为复杂。其控制系统的设计很大 程度决定了风发电机组的性能。基于采用双馈异步发电机的2 m w 变速恒频风发 电机组，论文设计了机组控制系统。它采用以机组主控制器为核心的主从控制系 统。主控制器和从控制器、从控制器与从控制器之间采用c a n 总线连接。额定 风速以下时风力机按优化桨距角运行，由机组主控制器指挥励磁控制系统调节发 电机转速，从而调节风力机叶尖速比，实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕 获。在额定风速以上时风力机变桨距运行，由主控制器指挥变桨矩执行机构改变 浆距角，从而改变风力机获取的风能，防止风电机组超出转速和功率极限运行而 引起事故。额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，可以最大程 4 硕f ：学位论文 度利用风能。 本文针对变速恒频风力发电发电机组做了如下研究： ( 1 ) 本文对兆瓦级变速恒频风力发电机组系统结构进行了介绍，对各部分 功能进行了说明，并对机组的运行原理进行了分析。本文研究了双馈异步发电机 的原理，包括电机定子电压的控制，电机转速的控制和功率控制等。 ( 2 ) 本文设计了两兆瓦变速恒频风力发电机组的控制系统。控制系统采用 以机组主控制器为核心的主从控制系统。主控制器和从控制器、从控制器与从控 制器之间采用c a n 总线连接。利用c a n 总线，各控制器之间可以传达指令、共 享检测数据和交流运行状态。 ( 3 ) 本文对额定风速以下时的最大功率跟踪算法进行了分析。本文将风速 检测和爬山算法结合起来用于最大功率跟踪，经研究该方法高效、精确。本文对 该算法的软件设计进行了分析，对软件流程图进行了设计。本文研究了应用于偏 航控制系统中的爬山算法。并对算法的控制参数和算法的应用进行了分析。 ( 4 ) 本文设计的机组主控制器采用f p g a 嵌入式系统，集成了3 2 位的处理 器、c a n 总线控制器和千兆以太网m a c 控制器。在机组主控制器中加入了便于 人机交流的智能触摸屏。论文设计了机组主控器的检测单元，可以完成各种温度 和风速、风向检测。 ( 5 ) 本文设计的励磁控制系统采用两个d s p 控制器分别对网侧p w m 变换 器和转子侧p w m 变换器进行控制。设计中采用了c o n c e p t 公司的i g b t 驱动芯片， 其具有硬件短路、过流保护功能。利用其硬件保护功能，本文设计了i g b t 保护 报警电路。在此电路中还集成了软件保护功能，提高了功率模块的安全性。励磁 控制器的检测单元对各种电压电流和电机转速进行检测，并将检测量上传机组主 控制器。本文对网侧p w m 变换器、转子侧p w m 变换器采用基于电网电压定向 矢量方式控制，在保持直流母线电压稳定的前提下，有效地控制双馈异步电机 ( d f i g ) 的转速、有功和无功功率。文中设计了矢量控制框图和主、从d s p 控 制器的软件控制流程图。 ( 6 ) 论文设计了主动偏航的偏航控制系统。偏航电机与机械传动机构连接， 利用h 桥对偏航电机进行控制，从而确定风力机的最佳偏航。设计中，i g b t 驱 动芯片采用i r f 公司的i r 2 1 0 8 。它具有欠电压封锁和添加死区功能。采用脉宽调 制( p w m ) 调节偏航直流电机的转速，更好地适应偏航需要。本文还对偏航控制 系统的软件流程图进行了设计。 5 2 m w 变速恒频风力发电机组控制系统的研究与设计 第2 章兆瓦级变速恒频风力发电机组工作原理 2 0 世纪的最后几年，变速风力发电机组成为风力发电机组主流机型。特别在 大容量场合，变速风力发电机组将逐渐取代恒速风力发电机组。结合了变桨矩功 率控制方式的变速恒频风发电机组，比其他类型风发电机组更具优势。恒速风力 发电机组为了保持电机转速恒定，必定会降低风能的利用率。变速风力发电机组 能够变速运行，因此可以根据风速变化调整电机转速，从而获得最佳的风能利用 效率。其次，利用对桨叶节距角的改变，限制风轮获得的功率，使输出功率稳定 地限制在安全范围。 风力机是将风能转换为机械能的部件。风力机获得的功率将直接影响发电机 输出的功率。风速较低时，风的能量有限，需要