风力发电机组控制系统试验平台.doc

风力发电机组控制系统及20KW试验平台 总体方案目 录第一部分 主机控制器平台子项目设计方案第二部分 监控系统子项目设计方案第三部分 变频励磁器子项目设计方案第四部分 试验平台设计方案第一部分 主机控制器平台子项目设计方案一、 设计方案以及应达到的功能和关键技术指标1. 设计方案简述风电主机控制器平台为大中型风电机组主控制系统提供软硬件支撑，项目包括面向兆瓦级双馈风力发电系统设计的完整主控软件，实现机组并网发电，同时也可以通过硬件配置和软件调整适用于其它容量的风机主控系统。主控硬件采用模块化可配架构，并具有分布式特点，主控可以安装在机舱，也可以分别布置在机舱和塔底中。控制器具有符合IEC 61131-3标准的编程语言功能，以实现主控逻辑编程。主控支持光纤以太网接口，并支持IEC 61400-25和Modbus/TCP协议与监控系统通讯。控制器主CPU通过总线与各种智能IO模块或分布式装置通讯，控制器平台提供多种IO接口模块，支持交流电流电压信号采集、直流模拟量信号采集、RTD温度采集、开关量输入信号采集、高速脉冲信号采集、开关量光藕和继电器输出、以及模拟量输出等功能。IO模块的种类以及每个模块的IO数量需要根据不同机组和控制系统需求总结归纳，按合理数量配置设计。主控的软件算法在低风速下最大功率跟踪主要采用以下两种方法：跟踪最佳Cp值的比例系数（Kopt）和模糊算法。高风速下主要采用比例积分（PI）算法，通过改变浆叶节距角来调节风力机的功率系数，将功率的输出限制在允许范围内。2. 功能和关键技术参数风力发电主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网、风况及发电机组运行等参数进行监控，并与其他功能模块保持通信，对各方面的情况综合分析后，发出各种控制指令。风力发电系统主控器控制与监控功能框图参见图1。主控除了图1描述的总体功能外，还包括以下主要功能：自检，高、低风速下的控制策略和算法，故障处理，通信，人机接口，安全链设计，温度控制，机械振动控制以及其它辅助信号采集与控制等。主控制器需正确控制风机在运行、暂停、停机和急停四种工作状态之间转换。主控软件根据机组所处的状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变浆距系统、制动系统以及逆变系统等进行操作和控制，实现状态之间的转换。图2所示为风机在4种状态之间的转换顺序图，提高工作状态层次只能一层一层地升，降低则可以是一层或多层。关键技术指标：1) 运行温度范围：-3055;2) 交流测量精度：电流、电压 0.5%；有功、无功、功率因素1%；3) 直流模拟量测量精度：0.2%；4) 直流模拟量输出精度：0.5%；5) RTD测量精度：0.5%；6) 电磁兼容性能：标准等级GB/T 17626.2-2006 静电放电抗扰度试验4GB/T 17626.3-2006 射频电磁场辐射抗扰度试验X(20V/m）GB/T 17626.4-1998 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验4GB/T 17626.5-1999 浪涌（冲击）抗扰度试验4GB/T 17626.6-1998 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验3GB/T 17626.8-2006 工频磁场抗扰度试验5GB/T 17626.9-1998 脉冲磁场抗扰度试验5GB/T 17626.10-1998 阻尼振荡磁场抗扰度试验5GB/T 17626.12-1998 振荡波抗扰度试验4GB9254-1998 辐射发射限值试验A类7) 振动（正弦）响应、耐久：满足GB/T 11287-2000的2级；8) 冲击响应、耐受，碰撞：满足GB/T 14537-1993的2级；9) 使用寿命：20年；10) 平均无故障工作时间（MTBF）：50000h。3. 关键技术及难点：1) 主控制器能正确控制风机在运性、暂停、停机和紧停四种工作状态之间转换。特别是在外部环境恶化、电网故障或者风机内部故障等情况下，主控制器能安全保护风机正常运行或者安全停机、紧急停机。要正确控制风机状态的转换，需要首先界定每个状态，对应每个状态下风机各部件的工作情况；其次要研究状态之间转换的条件；最后需要研究转换过程中的控制策略。2) 低风速下的最大功率跟踪控制策略。通常对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来实现的，其控制策略有两种，分别是间接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理论上DSC优于ISC，但是这两种控制策略以及模糊逻辑控制等策略在实际应用中的效果和优劣还需要加以研究。3) 在风速到达和超过额定风速时，在保证转矩和功率不超限值的前提下，保证功率输出稳定，减少波动。通常采用两个方法控制风轮的功率：一是控制变速发电机的反力矩，通过改变发电机转速来改变风轮的叶尖速比，使风轮工作在较低的功率系数点上；二是改变浆叶节距角，使叶片主动失速以改变空气动力转矩。这两种方法都是可行的，且都对应了比例积分控制和干扰调节控制等控制策略。这些控制策略都需要建立在模型分析的基础上，理论性较强，是该项目开发研制中的一大难点。4) 偏航和扭缆限制方面需要考虑较优的控制策略，防止风向波动造成的偏航频繁启动。5) 抑制可能引起机械共振的频率。6) 电力参数检测的快速故障判别。7) 控制系统的安全链设计。8) 控制策略和参数便于配置，能适应不同的主机。9) 主控制器与其它部件的接口软硬件需具备足够的灵活性，可接入多种型号的其它部件。10) 风机参数辨识技术。11) 主控制器需小型化和轻量化，满足机舱的安装要求。12) 主控制器硬件需适应风电机组内的温度、湿度、电磁和振动等环境，并能达到20年使用寿命。同时应具有很高的可靠性，运行维护简单，满足无人值守的要求。13) 主控制器的电磁兼容等级比较高，需要在电磁兼容方面有更多的考虑。二、 项目内容和实施方案1. 项目研究内容1) 主控硬件架构主控制器的硬件体系采用模块化灵活可配的多层次架构，最底层硬件为IO模块，装置级有两种层次，较低层次的是IO扩展装置，最高层次的是主控装置，具体参见图3。2) 主控逻辑总框图主控逻辑软件主要用IEC 61131-3语言编程实现，主体流程参见4。各主要功能研究内容如下：a) 停机风机处于不运行的状态，其主要的浆距系统、偏航系统、液压系统等都处于停止状态；浆叶处于制动固定状态。风机由停机状态到开机状态的转换条件为接收到开机指令。b) 开机启动风机的温控和液压系统并工作一定时间；当主控检测到各部分（变浆系统、液压系统、温控系统、润滑系统、系统监控、逆变系统）没有故障、电网正常，且风速情况满足一定条件并持续相当时间后，风机将松开刹车；当风机松开刹车后，开机状态进入到自检状态。c) 自检自检过程包括，检查偏航系统的各个位置开关；检查变浆系统的各个位置开关。完成自检后，逻辑转入待机状态。d) 待机待机状态开始，浆距角将转向45度角，以提高启动转矩；且随着转速的提高，不断减小浆距角，使得风轮转速稳定在同步转速的70%90%。该状态下风机各部分都已就绪，但双馈电机励磁尚未建立，定子还未建立三相电压。当发电机转速处于所整定的励磁转速窗内一段时间后，逻辑由待机状态转为励磁状态；当风机处于带机状态持续一定时间，且始终不能满足切入条件时，风机转入关机状态。e) 励磁主控制器对逆变控制器下达起励指令，逆变控制器开始转子励磁，并通过转子励磁的矢量控制调整，使得定子三相电压的幅值、频率和相位逼近电网；当定子电压和电网完成同步后，逆变系统将励磁完成指令反馈给主控制器。当主控制器接收到反馈指令后，状态转为并网。f) 并网主控制器接到励磁反馈后，将下令逆变控制器投同期，逆变控制器开出投同期装置，合主断路器，完成风机并网。并网完成后逆变控制器反馈给主控制器并网成功节点信号，逻辑转为低风速状态。g) 低风速低风速下，主控制器执行最大功率曲线跟踪的控制。根据环境和风机自身状态确定最大功率点，并向逆变控制器下达执行命令。由低风速向高风速转换的条件为特定风速点或者特定转速。由低风速向切出转换的条件为风速长时间低于某个数值或者发电量长时间低于某个功率下限。h) 切出切出过程中主控制器将给逆变控制器下达有功无功调到接近零的指令，并在合适的转速条件下下达脱网指令，使主断路器跳开，逆变控制器反馈切出成功的信号。当逆变控制器反馈切出成功的信号后，逻辑状态转为待机状态，重新等待切入并网的时机。i) 关机2主控制器向逆变控制器下达灭磁指令，并投入刹车系统，当转速为零后投入刹车固定系统。最终关闭温控、液压等系统，使得风机进入停止状态。当相应需要关闭的系统都成功反馈关闭后，逻辑进入关机状态。j) 高风速高风速下，主控制器执行变浆控制，且通过改变风轮功率曲线的工作点，来控制风机保持额定功率运行，防止风机过负荷。主控制器对浆距控制器下达变浆指令，并对逆变控制器下达功率或者转速的指令。当风速大于某个上限或者转速大于某个上限时，风机将脱网切出，状态转换为关机1。当风速小于某个值或者转速小于某个值时，状态转换为低风速。k) 关机1主控制器将给逆变控制器下达有功无功调到接近零的指令，并同时变浆刹车。在合适的转速条件下下达脱网指令，使主断路器跳开，逆变控制器反馈切出成功的信号。而后主控制器向逆变控制器下达灭磁指令，并投入盘式刹车系统，当转速为零后投入刹车固定系统。最终关闭温控、液压等系统，使得风机进入停止状态。当相应需要关闭的系统都成功反馈关闭后，逻辑进入关机状态。3) 低风速控制策略由风轮机的功率输出特性可知，一定风速情况下只有一个对应的风轮转速，能使风轮机的输出功率达到最大。当在低风速下，风轮机的最大输出功率不会超过发电机额定功率。如果能通过控制将风轮机的转速调整到这个最优的转速，并且能随着风速的变化而跟随着变化，则风机将始终保持最大的功率输出，这也就是低风速下最大功率跟踪的问题。最大功率跟踪的实现方式基本可以总结为以下两种，此两种方式当前都有实际的运用：a) 传统的基于Kopt参数的最大功率跟踪。b) 基于模糊算法的最大功率跟踪。4) 高风速控制策略风力发电机组变速运行可使机组在风速大范围内变化时增加能量获得，但是在高风速下，能量的获取将受到机组物理性能的限制。风力机的风轮转速和能量转换必须低于某个极限值，否则发电机组各部分的机械和疲劳强度就受到挑战。因此在高风速下，当风速做大幅度变化时，保持发电机恒定的功率输出，并使得风力发电机组的传动系统具有良好的柔性，是高风速时控制系统的基本目标。在这一运行区域，变速风力发电机组的控制系统主要是通过调节风力机的功率系数，将功率的输出限制在允许范围内；同时适当使发电机转速能随功率输入做快速变化，这样发电机就可以在允许的转速范围内持续工作并保持传动系统良好的柔性。通常采用两个方法控制风轮的功率系数，一是控制变速发电机的反力矩，通过改变发电机转速来改变风轮叶尖速比；二是改变浆叶的节距角以改变空气动力功率系数，由图可以看出通过调节浆距角就能调节功率系数，调节了功率输出。对于定浆距风力发电机组，叶片与轮毂的连接是固定的，即叶片节距角不能调节。当风速大于风轮的设计额定点时，叶片自动将功率限制在额定功率一下，这样的特性称为自动失速调节。其优点是不需要复杂的控制程序，叶片和轮毂之间没有运动部件；缺点是风电机组的性能受叶片失速性能的限制，启动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。而变浆距风力发电机组的特点是：叶片的浆距角可以自动调节。风机启动时，可以通过变距来获得足够的启动转矩；当风速高时，叶片可以沿纵轴方向旋转，改变气流攻角，从而改变风机功率系数，以保持一定的输出功率。其特点是输出功率稳定，机组结构受力小，停机安全；缺点增加了变浆距机构，增加故障率，控制程序比较复杂。显然，变浆距风力发电机更具有发展优势，变浆距调节提供了较好的输出功率品质。这里介绍通过改变浆叶节距角来限制功率系数，以满足风力发电机运行是对各种物理量进行限制的要求。变浆距系统限制功率输出的系统图如图5所示。5) 风电主控其他逻辑组成a) 偏航逻辑偏航系统使风轮始终处于迎风状态，提高风力发电机组的发电效率；且当由于偏航作用机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。其主要逻辑框图如图6。b) 液压逻辑风电主控需要对液压系统、温控系统等进行控制。液压系统主要用于风机的偏航驱动、变浆驱动（电变浆距除外）、刹车系统；液压系统的控制逻辑如图7所示。当液压系统压力小于P1时，主控制器开出驱动油泵增压，系统处于图8所示状态；当压力大于P2时，主控制器开出停止油泵增压，液压系统由于正常泄露或者电磁阀工作而压力不断降低，系统处于状态；当由于温度升高等原因，压力会超过P2，此时系统处于状态；当压力超过P3时，则主控制器开出控制旁路溢流阀开启以降低系统压力，系统处于状态。c) 温控逻辑温控系统则主要用于监视逆变系统、风电机、变速箱、液压系统等部件的温度，并采用液冷、风冷或者加热器来实现温度的控制，保证风机在正常温度范围内运行。控制逻辑如图9所示。当温度在正常的T2至T3范围之内时，温控系统不启动；当温度低于T2时，主控制器开出控制加热器工作；当温度高于T3时，开出控制风轮或者液冷装置冷却；当温度异常超出T1和T4的上下限时，主控制器告警，并执行停机指令。6) 安全链设计风力发电机组的计算机主控系统设计时，对发电机组运行中，所有可预期的事故都能做出正确、迅速的响应。所以一旦计算机主控系统检测到一些极端条件发生时，能迅速作出相应对策，使得风力发电机组处于一种安全的状态，以此来有效保护风力发电机组。而安全链存在的目的是，作为计算机主控系统的一个有效后备。当计算机主控系统对极端条件响应失败时，能接管计算机主控系统，对严重或者潜在的致命故障迅速产生响应，及时紧急停机，保护风力发电机组。它是独立于计算机系统的最后一级保护措施。安全链设计时，将可能对风力发电机组造成的致命伤害的故障接点串联成一个回路，一旦其中一个动作，将引起紧急停机反应。安全链设计的原则是：1尽可能的独立于计算机主控系统；2纯硬接点搭建，当安全链作用时，没有计算机或微处理器参与逻辑判断和运算；3采用反逻辑设计。在安全链中的所有硬接点，当外部条件处于安全时，硬接点闭合，一旦外部条件处于极限时或者传感器失效时，接点断开，导致紧急停机。设计时一般将如下传感器的信号接在紧急安全链中：手动紧急停止按钮、计算机主控器看门狗、显示叶尖扰流器的压力继电器、扭缆传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电、风轮过转速或电机过转速传感器等。在紧急停机后，所有的继电器、接触器失电，发电机与电网解列（发电机主接触器跳开），机械刹车与气动刹车同时动作。在紧急停机后，只能手动复位才能重新启动。2. 理论研究与试验1) 建设风力Matlab及相关的仿真系统建立风轮机、变速箱、双馈发电机和主控制器、逆变系统等的Matlab仿真模块，在Matlab平台上测试和验证各控制策略，为实物模拟系统的建立做准备。2) 建设风力发电模拟系统，提供理论研究和试验环境建设20KW风力发电模拟系统，根据风速、转速、浆距和叶轮气动特性计算捕捉风能，用直流电动机和变频调速的同步电动机模拟叶轮输入机械功率和转动惯量，驱动双馈异步发电机。3) 消化吸收引进主控制器技术在可能的情况下，获取1.5MW风机主控制器源程序，消化吸收后开发1MW2MW自主知识产权的主控制器程序。4) 通过试运行工程实施，积累实践经验。三、 项目风险性分析风电主控的技术难度主要体现在针对不同风机的控制策略和算法上，在其它辅助控制上，不同接口的程序适应性在工程实施时难度也很大，很多厂家不愿提供详细的叶片参数等数据信息，因此研究清楚并实施整套风电主控系统的难度很大，必将投入很多人力、物力并花费时间，而且工程实施难度非常大，工程经验要求高，另外为了获得稳定可靠运行，对主控各种零部件的选型、主控软硬件设计也都提出很高要求。因此，解决这个技术风险的有效措施是寻求技术合作方，拿到成熟可靠并且通过运行验证的源程序分析研究，或者是加强和主机厂家的合作，共同开发成熟的风力发电机组。四、 预期目标和成果1. 项目预期目标及水平开发出具有国际先进水平的变速恒频风机主控系统。2. 成果形式1) 主控制器样机2) 阶段研究报告3) 生产调试用图纸、资料、工艺文件、目标程序4) 开发过程文档、源程序、编译说明、产品标准5) 用户文档，包括说明书6) 检测报告、试运行报告、现场试验报告7) 相关专利8) 验收报告第二部分 监控系统子项目设计方案一、 设计方案以及应达到的功能和关键技术指标采用一体化思路，将各机组测量控制信息、变电站监控与公用信息集成到一个平台上，现场测控网络分三部分，分别是：1. 机组控制器网络：单元机组控制器的相关信息通过该网络接入；2. 变电站系统网络（包括各种电网线路保护装置、元件保护装置）；3. 其它现场设备信息：硬接点信号由现场传感器与执行机构由对应的I/O通道接入中间控制器DPU组；智能设备由现场总线接入通信网络。各个风电机组的控制器、升压变电站电气控制装置根据对应装置通信接口的具体模式与通信网关通信，由通信网关完成协议转换与多装置信息汇总，然后通信网管再与SCADA系统通信，完成系统数据采集以及控制功能。每套单元风电机组控制系统，通过实时数据网（10M/100M光纤以太网）与SCADA监控系统连接，达到对现场所有单元机组监控的目的。在这个系统中通信网关是桥梁，起到协议转换与集中汇总的功能。SCADA系统接入所有单元机组、变电站与其它现场设备信息。AS可以实现必要的控制。基于现场机组控制系统和数据管理系统上的风电场实时运行信息管理系统目标是搭建一个风电场各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平台；提供远程分布终端综合监测系统，风电场多协议中央监控系统，状态监测系统，故障诊断系统以及缺陷跟踪系统。图1 风电场监控系统网络构架图二、 项目内容和实施方案1. 研究内容的详细说明主要研究单元风电机组人机接口HMI和监控系统通讯网络，风电场全场监控系统属于分散控制系统的范畴，需要多方的配合，应放到电场建设初期去考虑设计和方案。1) 单元风电机组HMI实现单元机组的就地监控和操作。提供所有机组重要运行画面，数据一览表，软手操，数据记录及存档，报警等功能；记录起动和停机过程中的参数；记录风力发电机组的总工作时间、产出和消耗。2) 监控系统网络光纤以太网提供了高速可靠的数据传输平台，风力机组控制器应采用双以太网冗余构架、MODBUS/IP协议，传输速率达100Mbps，最大传输距离为20KM。2. 单元机组HMI功能主要显示机组工作状态、功率曲线、运行画面以及对应的报表、趋势与历史数据存储。HMI（人机操作界面）主要包括以下几个方面：1) 显示过程画面用于单元机组的运行；风电机组的工艺过程画面是以工艺过程为基础。考虑到操作、诊断、指导等各方面的要求而设计的过程监视系统。HMI能综合显示字符和图形信息，操作人员完全可以利用鼠标通过CRT的画面实现对生产运行过程的操作和监视。(每幅)画面都能显示过程变量的实时数据和设备的运行状态，这些数据和状态在规定时间内更新一次。数据或图形的显示随过程状态而变化。棒图和趋势图可以在任意画面的任意位置显示。控制系统的所有测点，包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值都可以在画面上显示。对每一个测点，还包括显示位号、文字说明、工程单位、高低限值等。HMI提供的标准显示画面有报警显示、趋势显示、成组显示等。2) 过程趋势显示能够提供1000点历史数据的趋势和1000点的实时数据的趋势显示。趋势显示可以用整幅画面显示，也可在任何其他画面的任意部位以任意尺寸显示。所有模拟量信号及计算值，均可设置为趋势显示。在同一幅CRT画面上，在同一时间轴上，采用不同的显示颜色，能同时显示多个模拟量数值的趋势。在一副趋势显示画面里，运行人员可重新设置趋势变量、趋势显示数目、时间标度、时间基准和趋势显示的颜色。每个实时数据趋势曲线包括600个实时趋势值，时间分辨率为0.5秒。时间标度可由运行人员选择。趋势显示画面还同时用数字显示出变量的数值。3) 过程报警的处理过程事件报警发生在自动过程中，例如过程信号超出极限。4) 过程与系统事件的记录所有记录使用可编辑的标题，可按业主指定的格式，确定所有的记录标题。记录功能可由程序或运行人员指令控制。数据库中具有的过程点均可以记录。5) 历史数据的归档与恢复在任何存储媒介中存储趋势，记录和标签数据，可以支持三种存储媒介：标准的磁盘，磁带机或光盘，被存档的趋势及记录数据可以很容易地被重读到历史站中，并可打印和显示出来。6) 系统诊断可以把单元机组内各个设备的结点状态显示出来，它们包括系统内所有的控制，数椐采集和通讯模件，终端操作台及电源系统。还可提供模件的状态报告，该报告可列出各个IO点的故障、以便维护。3. HMI组成1) 操作站选用工业嵌入式计算机，板上集成Intel Pentium M处理器，12.1SVGA TFT LCD，镁铝外壳机架铝合金压模超薄设计，无风扇冷却系统，前面板符合NEMA4/IP65标准，支持Microsoft Windows XP/CE.NET/XP Embedded，向下I/O接线，自动RS-485数据流控制，支持千兆以太网和高速以太网。2) 监控组态软件监控软件选用WIN CC视窗控制中心，特点如下：WINCC是SIEMENS公司与MICROSOFT公司共同开发的居于世界领先地位的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）软件，它基于Windows NT操作系统，可中文环境运行，也可以西文环境运行。其性能、功能和开放性均达到当今工业控制的先进水平。WINCC是当今主流软件之一，它不仅功能强大、易于使用、安全性好，而且全面开放、扩展灵活、性价比高，国内外已有相当的用户基础，无技术风险。WINCC可与多种控制器和PLC无缝连接，既可满足单元风力发电机组的要求，也能满足全厂的监控系统要求，避免重复投资。3) 通讯组件选用西门子CP系列通讯卡件，用于有 PCI 插槽的短 PCI 卡（32 位）。到PC 的数据传输速率 19.2/38.4 kbit/s；RS485、MPI/DP的数据传输速率 19.2 kbit/s 到 1.5 Mbit/s4. 关键技术及难点目前可做的、且没有技术壁垒的就是HMI，主要用于显示单元机组的运行状态和过程画面。风电场的监控系统涉及众多子系统，包括各单元机组的监控、变电站系统监控、以及其它电场设备等，规模大，系统通讯网络要求很高，需要风电场业主单位的配合，和所有设备供应商提供必要的接口，以便系统互联。三、 项目风险性分析技术风险主要来自于初始阶段的技术要求及工艺流程，需要风机成套厂家提供必要的机组工艺及特性。研发进度风险，因为没有对应案例可借鉴，时间紧迫，存在一定风险。四、 预期目标和成果形式最后成果为适用于单元风机的人机操作界面，可实现单元机组的就地启停操作、转速控制、负荷控制、过程监视等功能，同时为风电场全场监控系统打下坚实的基础。主要技术指标及技术标准：l 风力发电场运行规程DL/T 666-1999l 小型风力发电机组安全要求GB 17646-1998l 风力发电机组 安全要求 GB 18451.1-2001l 风力机设计通用要求 GB/T 13981-1992l 风力发电控制机组控制器 技术条件 GB/T 19069-2003l 风力发电机组 控制器 试验方法 GB/T 19070-2003l 风力发电机组 验收规程 GB/T 20319-2006l IEC61400-25：2006风力发电厂监测和控制通信系统l 其他有关法规、标准、规范第三部分 变频励磁器子项目设计方案1 项目研究内容实现目标1.1 本项目研究内容为双馈异步发电机的逆变器逆变器采用四象限逆变技术，可控制转子电压的频率、幅值和相位，采用双馈发电机矢量控制技术，独立控制电机输出有功功率和无功功率。电机转速低于同步转速时，电网通过逆变器向转子输入有功功率，该有功功率和机械功率一起从定子输出到电网。电机转速高于同步转速时，转子通过逆变器将部分机械功率输出到电网。逆变器采用IGBT脉宽调制技术，并用谐波抑制算法最大限度减少电机输出谐波分量。1.2 项目研究内的关键技术和难点主控制器能正确控制风机在四种运行状态之间的转换。特别是外部环境恶劣、电网故障或者风机内部故障等情况下，主控制器能安全保护风机正常或者安全停机、紧急停机。要正确控制风机状态的转换，需要首先界定每个状态，对应每个状态下风机各部件的工作情况；其次要研究状态之间的条件；最后需要研究转换过程中的控制策略：1） 逆变系统在低速时，能接受主控制器的控制策略，跟踪最优叶尖速比。通常对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来实现，其控制策略有两种，分别是间接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理论上DSC优于ISC，但是两种控制策略在实际运用中的效果和优劣还需要加以研究。2） 逆变系统能通过解藕，分别控制有功无功输出，提高发电质量。分析以坐标变换为主导的矢量算法，分析以转矩和定子磁链调节为主导的直接转矩控制算法，比较两种算法的计算量大小、观测器设计误差度、对电机参数的依赖程度、考虑自主开发系统的鲁棒性。3） 减小功率传动链的暂态响应。4） 抑制可能引起机械共振的频率。5） 电机参数识别技术。6） 双馈电机风力发电系统的柔性并网技术。7） 电网故障下对双PWM控制器的保护动作与重新投运。8） 逆变器硬件需适应风电机组内的温度、湿度、电磁和振动等环境，并能达到20年使用寿命。同时应用具有很高的可靠性，运行维护简单，满足无人值守的要求。9） 逆变器的电磁兼容等级比较高，需要在电磁兼容方面有更多的考虑。 2 变速恒频双馈风力发电变频系统的总体设计2.1 变速恒频双馈风力发电变频系统的工作原理 无刷双馈电机是在20世纪初英国学者Hunt提出的自级联异步电机的基础上发展起来的。最初的无刷双馈电机由2台绕线式异步电机组成,2个转子同轴连接，转子绕组在电气上直接相连,从而省去了滑环和电刷。现在用于风力发电的无刷双馈电机，其中一个定子绕组为功率绕组，向外输出功率；另一个定子绕组为控制绕组，由变频器供电，可以用较小容量的变频器对较大功率的电机进行调速。无刷双馈电机的转子绕组有鼠笼型转子、凸极磁阻型转子等四种类型。国际上对双馈电机的研究也分为两大流派。目前应用于风力发电系统中的主要为鼠笼型转子绕组。变速恒频双馈风力发电系统原理如图1所示:变频器fcfp1转子侧逆变电路网侧侧逆变电路转子侧控制器网侧控制器电网fn风力机无刷双馈发电机图1 变速恒频双馈风力发电系统原理框图 无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组的极对数不同，分别为Pp和Pc功率绕组直接连在电网上,因此它的频率为电网固定频率fp而控制绕组的频率fc由变频器控制，随转子转速反馈而变化。稳定运行时电机转速nr与Pp、Pc、fp及fc的关系为:nr=60(fp+fc)Pc + Pp 当nr变化时,通过改变控制绕组电流的频率fc,即可使发电机的输出频率fp=50Hz保持不变,也就实现了变速恒频运行。双馈电机超同步运行时,转子旋转磁场方向与转子机械旋转方向相反,除定子向电网馈送能量外,转子也经过双向变频器向电网馈送部分电能；当亚同步运行时,转子旋转磁场方向与转子机械旋转方向相同,定子向电网馈送能量,而转子需要从电网馈入能量,这样定子的输出频率在超同步和亚同步情况下都能保持恒定。由于转子和定子侧都能向电网馈送能量，故称为双馈发电机。2.2 变速恒频双馈风力发电变频系统的组成DFIG控制子系统主要由背靠背双PWM型励磁变换器和2个DSP控制芯片组成，为了提高运算速度和简化设计，网侧和转子侧控制部分分别选用一块合众达公司生产的SEED-DES2812仿真板，该仿真充分集成扩展了DSP320F2812的基本功能，方便电机控制，具体参数如下：(1)片上存储器：FLASH： 128K 16位SRAM： 18K 16位Boot ROM: 4K 16位OTP ROM: 1K 16位(2)片上外设： PWM： 12路 QEP： 6通路 ADC： 28通道、12位、80ns转换时间、03V量程 SCI异步串口：2通路 McBSP同步串口：1通道 SPI同步串口：1通道 eCAN总线：1通道 外扩SRAM，最大容量为512K16位，基本配置64K16位 外扩RTC实时时钟+5128位EEPROM 外扩4通道、12位分辨率、10us建立时间、+10V量程的DAC输出 外扩符合USB2.0标准的高速USB接口 2路SCI进行收发驱动，接口标准RS23/RS422/RS485可配置 1路eCAN进行收发驱动，符合CAN2.0协议 标准化的扩展总线2.3 硬件结构在确定控制采样信号的基础上利用该仿真可以建立网侧和转子侧的控制硬件结构如下：网侧部分 数字量控制电路DSP总线 D/A输出 (2)片上外设PWM： 12路QEP： 6通路A/D输入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存储器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光电转换光电转换光电隔离光电转换光电隔离光电转换A/D8路光纤输入4路模拟量输出8路光藕输出8路光藕输入16路继电器输出16路继电器输入12路光纤信号输出IPM驱动光电转换板驱动信号光电转换信号光电转换IGBT驱动光信号输入接口IGBT驱动电信号驱动保护光信号输出接口IGBT驱动保护信号PWM复用IOPWM脉冲输出QEP输入A/D模拟量输入CAN总线接口光电转换光电转换驱动保护光信号输入接口IGBT驱动光信号输出接口号6路交流电压采样3路交流电压采样7路A/D备用 图2 网侧硬件控制原理框图网侧控制板主要包含以下控制变量及参数选取 六路交流电流采样，采用的电流传感器为LT108-S7/SP8，参数：输入额定电流为100A，测量范围为0+150A，输出额定电流为+50mA,转换率为1/2000，工作电压为+12-15V。（具体参数可参考说明书）。50mA采样信号接入扩展板。 三路交流电压采样，一路直流电压采样，共4路电压采样，其中采交流电压的传感器型号选用LV25-800，额定电压为800V，测量范围为0+1200V，输出额定电流为+25 mA。采直流电压的传感器型号选用LV100-1200，额定电压为1200V，测量范围为0+1800V，输出额定电流+50mA。 用7路A/D通道最为备用。（备用通道的类型还不确定），所以是否考虑在扩展板上此7路备用做成电压和电流可以通用的调整电路，通过跳线等方式来选择是电压还是电流通道。 4路D/A通道。从开发板CPU出来的4路电压D/A，在扩展板上做4路电压4路电流可选的D/A输出。 3路电压过零点检测电路。输入为0+5V的电压信号，输出为高低电平。过零点检测的电路的阀值为定，0- 0+是高电平输出。 六路PWM脉冲输出采用光纤传输来控制IGBT驱动模块。选用的发射头是HFBR1521，波长600nm。 2路光纤开关量输入，选用的接收头是HFBR2521，波长600nm。转子侧部分 数字量控制电路DSP总线 D/A输出 (2)片上外设PWM： 12路QEP： 6通路A/D输入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存储器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光电转换光电转换光电隔离光电转换光电隔离光电转换A/D8路光纤输入4路模拟量输出8路光藕输出8路光藕输入16路继电器输出16路继电器输入12路光纤信号输出信号光电转换驱动信号光电转换驱动保护光信号输出接口IGBT驱动保护光信号IGBT驱动光信号输入接口IGBT驱动电信号PWM复用IO输出PWM复用IO输入QEP输入A/D模拟量输入CAN总线接口2路光隔2路光隔电光转换光电转换6路交流电压采样6路交流电流采样4路A/D备用IGBT驱动光电转换板驱动信号光电转换信号光电转换驱动保护光信号输出接口IGBT驱动保护光信号IGBT驱动光信号输入接口IGBT驱动电信号PWM复用IO输出2路继电器输出PWM脉冲输出光电转换IGBT接口图3 转子侧硬件控制原理框图转子控制板主要包含以下控制变量及参数选取 六路交流电流采样，采用的电流传感器为LT108-S7/SP8，其输入额定电流为100A，测量范围为0+150A，输出额定电流为+50mA,转换率为1/2000。（具体参数可参考说明书），50mA采样信号接入扩展板。 六路交流电压采样，两种电压的传感器型号可能不一样，但他们输出的信号应该都是0+5V的电压信号，然后通过与上面一样的信号调理电路转换为DSP允许的03V的电压信号。 4路A/D通道作为备用。（备用通道的类型还不确定），所以是否考虑在扩展板上此4路备用作成电压和电流可以通用的调整电路，通过跳线等方式来选择是电压还是电流通道。 测速码盘