基于DSP异步风力发电机控制器设计_百度文库

1、<电气开关(2003No 6 27文章编号：1004-289XI200306002704基于DSP 的异步风力发电机组软并网控制器的设计 孟岳勇谢少军(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016摘要：介绍用于异步风力发电机组的软并网技术和软并网控制器，分析该控制器的主要工作原理，阐述了控制器的软硬件设计，重点讨论了以TM$320F240为核心，以无触点可控硅为主要控制器件的软并网控制器的硬件结构。论文对软并网的控制律进行了仿真研究，给出了该控制器的软件主体结构框图。关键词：风力发电；软并网；异步机中图分类号：TM315 文献标识码：BDesign of the Grid Conne

2、ction Controller for W ind TurbineAsynchronous Generator Based on DSPMENG Yueyong 。xIE Shaojun(College of Automation Engineering，Nanj ing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，ChinaAbstract ：The technology of grid connection and the controller for wind turbine asynchronous generat

3、or are introduced in this paper The operation principle of the controller is analyzed The design of the software and the hardware of the system is also presented The controller uses TM S320F240 as its core and SCRs as its basal control component Finally the flowcharts of the software are given on th

4、e basis of digital simulation of control strategy Key words：wind turbine generator；grid connection；asynchronous generator1 引言并网型异步发电系统是大型风力发电系统的一种重要类型，该系统中风力发电机组的并网控制是整个电控系统最关键、最复杂的技术之一，它直接影响到风机工作的可靠性和在有效工作寿命内的发电量。与同步发电机并网相比，异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行非常稳定。然而异步发电机采用直接并网方式时，并网瞬间的冲击电流会达到电机额定电流的57倍

5、，甚至10倍。这样大的冲击电流会造成并网瞬间电网电压的突然下跌，威胁电网的稳定和安全。异步发电机的并网方式有降压并网、准同期并网和可控硅软并网等方式n1。降压并网方式经济性较差，适用于小容量的风力发电机组的并网。准同期并网方式须有高精度的调速器和整步、同期设备，增加了机组的造价，而且并网花费的时间长。采用双向可控硅的软并网技术，可以得到一个平稳的并网过渡过程而不会出现冲击电流，使并网时的电流控制在152倍的额定电流以内，因此可以大大降低并网时的冲击，增加风电机组的使用寿命和可靠性，目前大型的异步并网风力发电机组均 采用这种并网工作方式。传统的软并网控制器采用模拟电路【2 或单片机电 路3】，本

6、文采用信号处理DSP(TMs320F240来设计 软并网控制器。DSP 具有强大的数字处理能力，可以 设计较复杂的并网控制策略，以提高并网工作性能。 2 软并网主电路工作原理为了控制发电机并网时的电流，一般采用降低电28 <电气开关>2003No 6制电压的大小 。在并网过程中，通过控制晶闸管 的触发角，从而调节电机的输入电压，最终限制电机电 流，减小对电网的冲击。UVW图1 软并网控制器主电路图1是采用双异步电机的大型风力发电机组软并网功率电路图。当风轮带动的异步发电机起动到转速 接近同步转速时，可以开始并网。并网时首先将并网 接触器K 合上，根据风速状态，由上位机决定大电机 或

7、是小电机并网，即大电机接触器K2或者小电机接 触器K3闭合。晶闸管开始工作后，触发角按照一定 的控制规律逐渐减小。此时，异步发电机作为电动机 运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于零。当发电 机转差率为零时，控制晶闸管使其全部导通，此时旁路 接触器K1闭合，于是短接了已全部开通的晶闸管。 发电机发出功率后，晶闸管的触发脉冲自动关闭，发电 机输出的电流不再经过晶闸管而是通过已闭合的旁路 接触器K1流向电网。3 软并网控制律设计 限制电机并网时的冲击电流可采用开环控制和闭环控制两种方式。开环式软并网是在并网开始时设置一定的初始触发角，即相应的初始输入电压，电机开始并网后按一定 规律线性减小触发角直

8、至晶闸管完全导通，从而使电 机的输入电压平稳的上升，限制了电机并网的电流。 闭环控制，即限流式软并网，主要以电机的定子电流作 为晶闸管触发角变化的根本依据，通过采样电机定子 电流，并与电流限定值进行比较，得出相应的电流偏差 值，经过数字PI 调节算法，计算出所需要的晶闸管触 发角的调整量 。运用上述两种控制方式，对一台22kVA 鼠笼式异步电机的电动起动基于MATLAB 软件进行了系统仿真。仿真电机参数为：定转子阻抗(转子参数为折算 值 ，Rl=268Q ，R2=2，85Q ，Xl =X =3，62l"2，X=795Q ，电机转子和负载转动惯量J=002kg ·m 。 旋转

9、阻力系数R 。=0004N ·m ·s rad ，由于风力发电 机作为电动机起动时机械负载转矩较小，这里取丁 =15N ·m 。电机起初处于静止状态。开环控制时，触 发角a 初始给定值为120度，每周期减小028度。闭 环控制设定电机最大电流限定为9A ，约为电机额定电 流幅值的2倍，PI 调节参数为K 。=05，K 。=015。 图2、3分别是两种控制方式下电机起动仿真结果。 图2 开环方式仿真结果对同(s】(b电流曲姥图3 限流方式仿真结果由仿真结果可以看出，开环方式和闭环方式都能很好的对电机的电流进行限制。从图2可以知道，开 环方式虽然控制简单，但是起动花费

10、时间较长，并且对 电流的限定只是一个粗略的控制。而以定子电流为反 馈量的限流方式，电机的起动比较平缓，电流值限定在 <电气开关l2003No 6 29设定值之内。通过比较可以得出，限流方式更能使电机平稳的起动和并网，满足大型风力发电机组对电流的限制要 求，从而可以为风电机组的平稳运行提供可靠的保证。 4 软并网控制器软硬件设计对于整个风力发电机组的控制系统来说，软并网控制系统用的DSP 属于一个从CPU 系统，该系统的工作情况受主系统的控制，所以软并网控制器的启动、 停止以及并网方式要受到上位机的控制，并网时由主 控制器下达命令，并网控制环节根据受到的命令情况 和相应的传感器信号对并网过

11、程进行控制，从而达到 控制电流的目的。根据上述的限流方式的控制律，对 风力发电机组的软并网控制器进行了设计。41 软并网控制器硬件电路设计软并网控制电路原理图如图4所示。图中各环节功能为： 核心控制器。本系统中CPU 选用的是TI 公司的TMS320F240芯片。该芯片专为基于数字电机控制的应用而设计，它具有双10位的A D 转换模块、3 个可屏蔽中断、4个捕获单元、3个通用定时器和多个 PWM 输出通道，而且运算速度快，其指令周期只为50ns(20MIPS" 。由于这些特点，它能够满足软并网 控制器的计算量大和实时性强的要求。 三相晶闸管。由三组反向并联的晶闸管构成。通过控制晶闸管

12、的开启逻辑来控制加在电机定子端的 交流电压。为了吸收晶闸管动作时的瞬时能量和短暂 的电压冲击，在每相晶闸管上并联缓冲电路。缓冲电 路由电阻和电容串联构成。利用电容器两端电压不能 突变的特性来限制电压上升率(dVdt ，防止误触发。 电压同步信号。通过变压器将电压信号取出，再经过比较器使之转变成方波信号。该信号作为触发 三相晶闸管的同步信号，送入DSP 的捕获单元引脚。 DSP 由捕获产生中断，启动定时器工作，根据计算得 到的触发角产生相应的延时脉冲。 电流反馈信号。由电流互感器得到电机的定子电流，电流互感器可以起到隔离主电路和控制电路的 作用。所得信号经放大调理电路输入到DSP 的 D口_?_

13、，作为计算晶闸管触发角的依据。此信号同时用来 进行过流保护和电流显示。 隔离及功率驱动环节。DSP 根据并网的调压要求，以同步信号为基准，发出延时触发信号，用来调 整晶闸管的触发角。由于DSP 产生的信号较弱，不能 电同图4 软并网控制器原理图驱动晶闸管，所以须通过隔离放大电路进行功率放大。 上位机控制环节。软并网系统从上位机接受起动和并网方式信号，根据上位机的命令执行不同的并 网程序，同时上位机可以随时停止软并网系统的工作。 另外，软并网系统在完成其启动功能后或在上位机停 止软并网环节工作时将相应的信号回馈上位机，上位 机在收到该信号后，可以根据不同的情况对系统进行 相应的控制。42 软并网

14、控制器的软件实现对于风力发电机组来说，发电机共有五种并网模式，即：小发电机由静止状态起动运行、小发电机的并 网、大发电机的并网、小发电机向大发电机的切换和大 发电机向小发电机的切换。整个软并网的过程，是 CPU(TMS320F240和上位机协同工作的过程。所以软件结构较复杂。限于文章篇幅，这里仅介绍DSP 的 一些主要的程序结构，如图5所示。其中图5(a为DSP 的主程序框图，主要负责与上位机的协调和系统 管理，如完成故障诊断报告、系统保护、启停检测等功 能，图5(b主要进行电源的周期检测和晶闸管触发角 的延时控制。5 结束语本文对异步风力发电机组的软并网控制器的工作原理进行了介绍，对开环式软

15、并网和限流式软并网两 种方式进行了仿真研究，仿真结果表明，采用限流软并 网方式，具有调整时间短，电流限制准确的特点，可以 实现电机平稳并网的性能。本文基于DSP 设计了软并网控制器的硬件构成<电气开关>(2003No 6过了初步的实验验证。图5 软件框图参考文献1】 吴烽风力发电机并网综述J】风力发电1992(1：582 叶杭冶风力发电机组的控制技术M北京：机 械工业出版社20023 邰圣平等大型风力发电机组微机监控装置的研 制J电力系统自动化199822(2：53554 TM Rowan and TA IApo A quantitative anal ysis of induct

16、ion motor performance improvement bySCR voltage contro1IEEE Trans on Industry Applications ，VO1IA 一19，July Aug 1983：5455535 W Deleroi ，J B Woudstra and AA Fahim Anal ysis and application of three phase induction motor volt age controller with improved transient oerfor mance IEEE Trans on Industry Applications，VO125，Mar Apr 1989：2802866 张浩等电子软起动器软件控制算法的设