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基于TMS320F2812的变速恒频风力发电系统运行与控制研究 学生姓名：王立果 裴庆磊 刘丽莉 王燕萍指导教师：张一工（教授）专业： 电力电子与电力传动学校： 华北电力大学（北京）学院： 电气与电子工程学院摘要本文研究对象是采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。主要研究完整的交流励磁变速恒频风力发电的基础理论和关键技术，交流励磁发电机的矢量变换控制和P、Q解耦控制技术，变速恒频发电机最大风能追踪控制，交流励磁用变换器研究和交流励磁变速恒频风力发电系统各部分的协调及综合控制等。采用TI公司的TMS320F2812研制交流励磁变速恒频风力发电实验系统，完成最大风能追踪控制实验。针对双馈型异步发电机转子能量流动的特点，研究设计了基于TI公司的DSP控制的具有能量双向流动功能的双PWM型变换器，讨论了双PWM型变换器特别是网侧变换器的控制方法。采用电磁暂态PSCAD/EMTDC软件，建立了风力机仿真模型，利用该仿真系统，对发电机并网控制P、Q解耦控制、最大风能追踪控制进行了仿真研究。第一章 引言1.1课题背景及研究的目的和意义科学技术的高速发展以及全球经济的急剧增长，使人类对能源的需求达到了空前的水平。能源是人类发展的动力，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速地增长，急剧膨胀的能源消耗迅速推动了工业化进程的发展，提高了社会发展水平和人类生活水平。解决急剧膨胀的能源需求和日益严重的环境恶化是目前人类社会发展所面临的重大课题。解决能源危机和环境问题的办法，一是尽量提高能源燃烧效率，以减少消耗，实现清洁燃烧以减少污染；二是发展新技术，开发新材料，最大限度实现节能;三是开发清洁能源，有效利用无污染的可再生能源。风力发电作为当今世界上规模化开发程度最高、技术最成熟、商业化发展前景最好和发展速度最快的可再生能源，在调整能源结构、减少环境污染等方面具有突出优势，已经越来越受到世界各国的重视，得到了大力的发展。风是由太阳辐射热产生的一种自然现象，地球表面各处受热不均而引起大气对流。据估计，仅1%地面上的风能就能够满足全世界对能源的需求。随着风力发电技术水平的不断提高，风力发电的成本逐渐降低，考虑环保效益其成本将接近于燃煤发电的成本，因此大力开发以风能为代表的可再生能源和新能源，实现可持续发展，已经成为全人类社会的共识，是解决能源危机和环境问题的战略选择。1.2双馈风力发电控制技术的概况风力发电是将自然风所蕴含的动能转换成电能的过程，其中风力机捕获风能并将其转换为机械能，带动发电机旋转，进而由发电机将机械能转换为电能。随着世界各国对风力发电的关注，风电成为全球进展速度最快、研究和应用规模最广泛的新能源技术。伴随着风电技术的发展，风力机、风力发电机、变流器及其控制系统以及风电机组的并网方式等，均出现了不同的类型。其中，双馈风力发电系统由于其变流器控制容量较小、变速运行范围较宽等特性，成为目前全球应用最广泛的变速恒频风力发电系统。变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解耦控制。控制有功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。此外，采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行1.3本课题的主要研究内容本文研究对象是采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。主要研究完整的交流励磁变速恒频风力发电的基础理论和关键技术，交流励磁发电机的矢量变换控制和P、Q解耦控制技术，变速恒频发电机最大风能追踪控制，交流励磁用变换器研究和交流励磁变速恒频风力发电系统各部分的协调及综合控制等。采用TI公司的TMS320F2812研制交流励磁变速恒频风力发电实验系统，完成最大风能追踪控制实验。分析了双馈型异步发电机的运行理论，在讨论双馈型异步发电机数学模型和等值电路的基础上，研究了发电机有功功率关系和无功功率关系，分析了双馈型异步发电机控制灵活、无功功率调节能力强的机理，为发电机的控制和励磁用变换器的设计奠定了理论基础。将磁场定向矢量控制技术应用到发电机的控制上，构建了基于定子磁链定向的发电机P、Q解耦控制策略;研究了发电机参考有功功率和参考无功功率的计算方法，建立了参考功率计算模型，讨论了交流励磁变速恒频风力发电系统的运行区域。针对双馈型异步发电机转子能量流动的特点，研究设计了基于TI公司的DSP控制的具有能量双向流动功能的双PWM型变换器，讨论了双PWM型变换器特别是网侧变换器的控制方法。归纳出该变换器所具有的输入、输出特性好、功率因数高、对电网谐波污染小等特点。采用电磁暂态PSCAD/EMTDC软件，建立了风力机仿真模型，利用该仿真系统，对发电机并网控制P、Q解耦控制、最大风能追踪控制进行了仿真研究。第二章 系统方案和软件设计2.1.1网侧换流器控制策略双PWM型变换器中的网侧变换器和机侧变换器的主电路结构完全相同，而它们工作状态互逆：在DFIG转子侧能量流向改变时，能互换地实现整流和逆变的功能。但由于在整个励磁系统中分担的功能不同，因而具体的控制方法也有所不同。机侧变换器采用DFIG定子磁链定向矢量控制，网侧变换器将采用电网电压定向矢量控制方式。网侧变流器(Grid Side Converter，GSC)，其主要作用是用来保持直流环节电压恒定，并可在一定范围内实现网侧的功率因数控制或电压调节。与电机相连的变流器称为转子侧变流器(Rotor Side Converter，RSC)，以实现发电系统输出有功功率和无功功率的解耦控制为主要目的，控制输出有功功率可调节发电机的转速，捕获最大风能实现风能利用率最大化，控制无功功率可调节DFIG定子侧的功率因数，实现风力发电系统无功控制或电压控制功能。网侧变流器GSC的控制主要包括直流电压控制和交流电流控制两个方面，在三相电压源型变流器的控制系统中，一般采用典型的双环结构:电压外环控制和电流内环控制。其中电压外环的主要功能是保持变流器直流电压恒定，电流内环的主要作用是控制变流器传输的有功功率，以及调节变流器交流侧的功率因数。电流调节器输出经过前馈解耦补偿后作为PWM调制电压，使产生相应的PWM波形，控制变流器中桥臂的通断。由参考文献：同步坐标系中d、q轴电流存在交叉耦合项且各轴上均含有交流输入电压的干扰项，这些扰动因素将增加控制系统设计的复杂性，降低常规控制系统的控制效果。为消除这些扰动项的影响，可在d、q轴电流控制器上采用适当的策略使d、q轴电流相互去耦，以及实现对交流输入电压扰动的前馈补偿1,2，因此有下述方程： （2.1.1） ，电流环比例环节系数、积分环节系数；，交流侧d、q轴调制电压参考值；，交流侧d、q轴电流设定值；图2.1网侧GSC变流器双环控制框图典型的双环控制结构如图2.1所示，其中，外环维持直流侧电容电压的恒定，其调节器输出决定变流器输出功率的大小和方向，并作为内环有功电流的给定;电流内环则依据外环调节器的输出以及交流侧的功率因数需求调节PWM变流器交流输入电流。2.1.2 GSC网侧换流器图形图2.4表示网侧换流器交流侧线电压，相电压波形，有功功率波形和无功功率波形，以及a相SVPWM调制波形。 图2.4.a交流侧线电压波形 图2.4.b交流侧相电压波形 图2.4.c有功功率和无功功率波形 图2.4.d相SVPWM调制波形图2.5和图2.6分别表示了当网侧变换器工作于整流状态和逆变状态时直流环节电压及交流侧电网电压和电流，可见网侧变换器整流状态运行时，其交流侧电流与电网电压同相位，能量是流出电网的；网侧变换器逆变状态运行时，其交流侧电流与电网电压反相位，能量是流入电网的。这说明双PWM型变换器具有能量双向流动的能力。从图中同时可以看出，双PWM型变换器输入、输出特性好，谐波少。无论是整流状态还是逆变状态，直流环节的电压都比较稳定。 图2.5网侧变换器整流状态时的直流环节电压和交流侧电网电压与电流 图2.6网侧变换器逆变状态时的直流环节电压和交流侧电网电压与电流2.2磁链估计策略定子磁链观测器，其运算关系如下所示。 （2.1） （2.2）采用定子磁链定向，有， （2.3） (2.4) （2.5） （2.6） （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） （2.11） （2.12） （2.13） (2.15)由公式2.1到2.15在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型，图2.2.a是转子磁链波形，估计的转子磁链有较大的谐波含量，图2.2.b定子磁链波形，谐波含量较少。 图2.7.a转子磁链波形 图2.7.b定子磁链波形2.3.1 机侧换流器控制策略矢量变换控制一般用于交流电动机的高性能调速控制上，是交流传动调速系统实它通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系中的励磁分量和与之相垂直的转矩分量。分解后的定子电流励磁分量和转矩分量不再具有耦合关系，对它们分别控制，就能实现交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使交流电动机得到可以和直流电动机相媲美的控制性能。可以将矢量变换控制技术移植到对DFIG的控制上。电动机的控制对象是磁通和转矩，而DFIG的控制对象为输出有功功率和输出无功功率。通过坐标变换和磁场定向，将DFIG定子电流分解成为相互解耦的有功分量和无功分量，分别对这两个分量控制就可以实现P、Q解耦。进行绕组折算后，DFIG的数学模型如下：定子绕组电压方程： (3.4.14)转子绕组电压方程： (3.4.15)定子磁链方程： (3.4.16)转子磁链方程： (3.4.17)DFIG定子输出功率方程为 (3.4.18)定子磁链定向时，定子磁链矢量平1与d轴方向一致，因此d、q轴上的磁链分量分别为:d1=1,q1=0。由于DFIG定子侧频率为工频，定子电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，即R1=0，因而DFIG感应电动势近似等于定子电压。因为感应电动势矢量1落后平90。故e1和定子电压矢量u1(并网后的定子电压矢量u1等于电网电压矢量us)位于q轴的负方向,从而有ud1=0， uq1=-u1其中u1为定子电压矢量的幅值，当DFIG连接到理想电网上时u1为常数。代入上式： (3.4.19) (3.4.20) (3.4.21)将(3.4.21)式代入(3.4.17)式可得 (3.4.22)将(3.4.22)式代入(3.4.15)式得到 (3.4.22)令： 即： (3.4.22)由(3.4.20)式可知，并入理想电网后，DFIG定子磁链将保持恒定，其值为定子电压与同步角速度之比由(3.4.19)式可知，在定子磁链定向下，DFIG定子输出有功功率P1、无功功率Q1分别与定子电流在d、q轴上的分量iq1， id1成正比，调节iq1， id1，可分别独立调节P1，Q1。图2.8交流励磁变速恒频风力发电系统DFIG矢量控制框图2.3.2 RSC机侧换流器图形 图2.9有功和无功功率波形形 图2.10交流侧相电压图形 图2.11交流侧线电压图形 图2.12 并网三相电流波形 图2.14表示DFIG输出有功功率和无功功率的解耦情况，蓝色曲线表示有功功率，绿色曲线表示无功功率。从图中可以看出，功率调节过程中，有功功率的变化不影响无功功率，反过来无功功率的变化也不影响有功功率，实现了P、Q解耦的目的。实现功率追踪波形： 图2.13 DFIG并网电流波形 图2.14 有功和无功功率的解耦控制第三章 系统硬件设计DFIG控制子系统是实验系统的核心部分，由双PWM型励磁变换器和两个以DSP为核心的控制单元以及通讯、显示等辅助部分组成。双PWM型变换器中的机侧变换器和网侧变换器分别采用两个DSP控制，为了叙述方便，可将控制机侧变换器和网侧变换器的DSP分别称为DSP1和DSP2，均采用美国TI公司生产的TMS320F2812芯片。DSP控制单元主要控制机侧变换器，以实现DFIG的矢量变换控制。它需要采集的反馈信号包括DFIG转子电流、定子电压、定子电流、电网电压及光电编码盘提供的转子位置和转速信号；输出信号有机侧变换器的驱动信号、并网控制信号、显示信号等。DSP1控制单元具有包括串行通讯和并行通讯在内的通讯模块，实现与主机的数据交换。为了便于人机交互，DSP1控制单元还扩展了显示、键盘等外部设备。DSP2控制单元主要控制网侧变换器，实现单位功率因数控制和直流环节电压控制。它需要采集的信号包括网侧变换器交流侧电网电压、流入电流及直流环节电压，输出网侧变换器的驱动信号。根据需要，DSP2控制单元也可以扩展通讯接口。风力机模拟子系统主要由直流电动机、晶闸管调速器和基于PCI总线的数据采集卡组成。DFIG控制子系统和风力机模拟子系统分别完成DFIG控制和风力机模拟，是实验系统的发电单元和动力单元。为保证整个实验系统的正常工作，设置了一台对两个子系统进行监控管理的主机，其硬件配置包括PC机、数据采集卡。主机的任务首先是监视和控制作为从机的DSP，实现对DFIG的主从式两级控制，其次是控制数据采集卡实现风力机模拟。实验系统还设置有为网侧变换器配置的降压变压器和进线电抗器、DFIG定子侧的升压变压器、并网装置等设备。图3.1交流励磁变速恒频风力发电实验系统结构图基于TI公司的TMS320F2812DSP双馈风力发电实验系统实物照片如图3.2图3.5所示。 图3.2 DSP控制核心电路 图3.3双馈风力发电实验机组 图3.4.DSP控制核心电路 图3.5 电流测量钳 图3.6 机侧换流器相电压 图3.7 机侧换流器线电压 图3.8 网侧换流器触发控制信号 图3.9滤波后机侧换流器线电压 图3.10直流侧采样信号调理波形 图3.11 空载