畢大強(qiáng)，宋修璞，葛寶明，李秋生

(1.清華大學(xué)，北京100084;2.北京交通大學(xué)，北京100044;3.臺(tái)達(dá)能源杭州設(shè)計(jì)中心，杭州310051)

0 引 言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電受到了世界各國(guó)家的普遍關(guān)注，其相關(guān)技術(shù)也得到了廣泛研究，各種新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、最大功率點(diǎn)跟蹤策略、功率變換器拓?fù)?，及先進(jìn)控制算法等都得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。然而風(fēng)是一種自然現(xiàn)象，具有間歇性和不確定性，受現(xiàn)場(chǎng)惡劣條件的限制，若在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不利于驗(yàn)證新型理論和技術(shù)［1］。為了加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，不僅有必要在實(shí)驗(yàn)室中模擬風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工作特性，而且必須建立能驗(yàn)證變流器控制算法的平臺(tái)，從而有利于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的新理論、新技術(shù)得到驗(yàn)證。

目前主要采用基于直流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)［2－3］。但由于受直流電機(jī)換向器和電刷的限制，其適合構(gòu)建小功率風(fēng)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。隨著系統(tǒng)單機(jī)容量的增大，開(kāi)始逐步采用基于異步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］推導(dǎo)了異步電機(jī)指令轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算方法，但沒(méi)有對(duì)電機(jī)控制方法具體研究。文獻(xiàn)［2－4］都沒(méi)有進(jìn)一步在風(fēng)力機(jī)模擬平臺(tái)的基礎(chǔ)上去驗(yàn)證變流器的算法。文獻(xiàn)［5］構(gòu)建了硬件平臺(tái)和控制軟件在內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)，但僅驗(yàn)證了正常狀態(tài)下的變流器算法。

本平臺(tái)采用一臺(tái)變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)三相永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，可以方便地通過(guò)計(jì)算機(jī)控制變頻器實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模擬風(fēng)機(jī)出力;在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了雙PWM 變流器的控制算法，并通過(guò)直流側(cè)增加卸荷電阻來(lái)提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力;設(shè)計(jì)了基于Lab-VIEW 的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，此風(fēng)電模擬設(shè)備可為教學(xué)演示以及算法創(chuàng)新驗(yàn)證提供一個(gè)比較完善的平臺(tái)。

1 永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制方法

根據(jù)建立永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的一般假設(shè)［6］，在d，q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，如果將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈相重合，永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以表示:

式中:Vd，Vq，id，iq是d，q 坐標(biāo)系下的永磁同步發(fā)電機(jī)定子電壓和電流;Ld，Lq是發(fā)電機(jī)定子直軸和交軸電感;Ψd，Ψq是d，q 軸磁鏈;p 為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);R是發(fā)電機(jī)定子電阻;ωg是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;Ψr是轉(zhuǎn)子磁鏈;Tem為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Twind為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩;J 為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)式(1)～式(6)數(shù)學(xué)模型，可以建立起永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。如圖1 所示，控制外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要靠q 軸電流分量進(jìn)行控制，d 軸電流分量可以用來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，減小損耗［7－9］。轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器都采用PI 調(diào)節(jié)器。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速按MPPT 要求，隨風(fēng)速變化而變化［10］。

2 網(wǎng)側(cè)變流器的模型及控制方法

電網(wǎng)側(cè)變換器功能是穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓，將風(fēng)力機(jī)捕獲的功率傳遞到電網(wǎng)，并根據(jù)電網(wǎng)的需求向電網(wǎng)饋入無(wú)功功率。電網(wǎng)側(cè)變流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:Rs，Ls分別為電網(wǎng)側(cè)的電阻和電感;C 為總的直流母線(xiàn)電容;Sd，Sq為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下變換器的等效開(kāi)關(guān)函數(shù);isd，isq為變換器的d，q 軸電流;Vsd，Vsq為電網(wǎng)電壓在d，q 軸上的分量;Vdc為直流母線(xiàn)電壓;I0為等效的直流母線(xiàn)負(fù)載電流;ωs為電網(wǎng)頻率。

當(dāng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸與電網(wǎng)A 相電壓向量重合時(shí)，有:

式中:Vs為電網(wǎng)電壓的幅值。在這種情況下，電網(wǎng)側(cè)變流器饋入電網(wǎng)的有功功率P 和無(wú)功功率Q 分別:

由式(9)可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，控制d 軸電流即可控制饋入電網(wǎng)的有功功率，控制q 軸電流即可控制饋入電網(wǎng)的無(wú)功功率。重寫(xiě)式(7)中矩陣的前兩式，可得電網(wǎng)側(cè)變流器的電壓方程:

3 低電壓穿越

3.1 低電壓發(fā)生裝置原理

本套電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生器原理圖如圖2 所示。其中，多抽頭繞組變壓器的原邊與電網(wǎng)相連接，每相副邊通過(guò)兩個(gè)電阻和四個(gè)繼電器組成的圖示電路與待測(cè)試的電力電子設(shè)備相連接。采用TI 公司的TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器作為主控芯片，控制繼電器所需的特定時(shí)序觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓故障的模擬。

圖2 電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生器單相原理圖

如圖2 所示，以單相為例，正常電網(wǎng)條件下KM1 導(dǎo)通，KM2 ～KM4 關(guān)斷，當(dāng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，控制繼電器按照如下順序動(dòng)作:KM2 導(dǎo)通－KM1 關(guān)斷－KM3 導(dǎo)通－KM2 關(guān)斷，此時(shí)副邊L2 輸出與網(wǎng)側(cè)變換器相連，由于L2 的變壓低于L1，因此輸出電壓發(fā)生了跌落變化，此過(guò)程中電阻起到在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中限制短路電流的作用。通過(guò)控制跌落和恢復(fù)過(guò)程的時(shí)間間隔，可以控制故障電壓持續(xù)的時(shí)間，從而模擬出需要的電壓故障。三相進(jìn)行類(lèi)似的控制，就可以模擬出電網(wǎng)電壓的各種故障，如三相電壓跌落、不對(duì)稱(chēng)電壓跌落等。

3.2 直流側(cè)增加卸荷電路以提高低電壓穿越能力

圖3 為直流側(cè)增加卸荷電路的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。直流卸荷電路用于在電網(wǎng)故障條件下保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，該方法是目前永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組最常用的一種保護(hù)電路方式［11－12］。

圖3 直流側(cè)增加卸荷電阻的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流值在網(wǎng)側(cè)變流器限幅值以?xún)?nèi)，網(wǎng)側(cè)變流器功率開(kāi)關(guān)管的占空比增大，直流母線(xiàn)兩側(cè)功率平衡，此時(shí)卸荷電路不工作。此后網(wǎng)側(cè)電流值逐漸增大，當(dāng)增大至網(wǎng)側(cè)變流器的限幅值之后，網(wǎng)側(cè)變流器電壓外環(huán)飽和，網(wǎng)側(cè)變流器失去了維持直流母線(xiàn)電壓恒定的作用，直流母線(xiàn)處的輸出功率小于輸入功率，造成功率持續(xù)在直流母線(xiàn)處堆積，直流電壓值持續(xù)快速升高，當(dāng)增大至軟件設(shè)定值之后，卸荷電阻投入工作。通過(guò)卸荷電阻消耗掉堆積在直流母線(xiàn)的多余能量保持輸入輸出功率平衡，使電網(wǎng)故障對(duì)機(jī)組運(yùn)行基本不產(chǎn)生影響［13］。

圖4 為直流側(cè)卸荷電阻控制策略框圖，將直流側(cè)電壓增大幅度作為主要判斷邏輯。當(dāng)直流母線(xiàn)電壓超過(guò)其給定值一定值，令占空比d=1，投入卸荷電阻;當(dāng)小于設(shè)置值時(shí)，令占空比d=0，使其切出。為防止由于直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)造成的卸荷電阻頻繁投入切出，需要在投入和切出的電壓設(shè)定值之間設(shè)置滯環(huán)。

圖4 直流側(cè)增加卸荷電阻控制原理圖

卸荷電路中的卸荷電阻值需要考慮直流側(cè)允許的最高電壓和所消耗的最大功率。忽略電路的非線(xiàn)性因素，卸荷電阻取值:

4 模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述原理，搭建了一臺(tái)以TMS320F2812 為控制核心，功率為7.5 kW 的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬平臺(tái)，電氣連接圖如圖5 所示。

4.1 模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的外觀(guān)如圖6 所示。

本平臺(tái)選用的拖動(dòng)電機(jī)額定功率為9 kW，永磁同步發(fā)電機(jī)額定功率為7.5 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，正常運(yùn)行時(shí)，直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在640 V。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，母線(xiàn)電壓上升到680 V 卸荷電路動(dòng)作，卸荷電阻為50 Ω。

并網(wǎng)側(cè)是由三相電壓跌落發(fā)生器連接電網(wǎng)，用以模擬電網(wǎng)的跌落狀態(tài)。

機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器分別采用兩塊DSP開(kāi)發(fā)板控制。開(kāi)關(guān)頻率均為10 kHz，通過(guò)控制雙PWM 變流器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率跟蹤、穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓，并可控制流向電網(wǎng)的無(wú)功功率。

4.2 模擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控

基于美國(guó)NI 公司的LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了試驗(yàn)平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控界面分為四個(gè)部分:主界面、風(fēng)力機(jī)模擬界面、曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)界面和低電壓實(shí)驗(yàn)界面。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS－485 通訊接口與變頻器、電壓跌落控制器、機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器相聯(lián)。圖7 為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的上位機(jī)軟件主界面。

圖7 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)主界面

該主界面包括:狀態(tài)變量觀(guān)測(cè)區(qū)域、網(wǎng)側(cè)通訊區(qū)域、變頻器通訊區(qū)域、機(jī)側(cè)通訊區(qū)域、低電壓通訊區(qū)域和數(shù)據(jù)保存區(qū)域。

點(diǎn)擊主電路合閘，網(wǎng)側(cè)通過(guò)不控整流對(duì)直流母線(xiàn)電容預(yù)充電。啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器，待母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在640 V 左右時(shí)，就可以啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并向電網(wǎng)發(fā)出一定的功率了。

圖8 為拖動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、并網(wǎng)功率7.5 kW時(shí)的上位機(jī)曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)界面。圖9 顯示此時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大功率運(yùn)行點(diǎn)上。圖10 為額定狀態(tài)下電壓跌落50%、跌落時(shí)間500 ms 時(shí)的曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)界面圖。

從曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)界面可以看出:(1)在網(wǎng)側(cè)變流器電流限幅作用下，網(wǎng)側(cè)電流在電壓跌落期間增大有限;(2)電壓跌落期間，由于直流母線(xiàn)電容兩側(cè)功率不平衡的緣故，母線(xiàn)電壓會(huì)升高;(3)在網(wǎng)側(cè)電壓跌落瞬間，由于電感作用網(wǎng)側(cè)電流基本不變，網(wǎng)側(cè)功率跌落到此前的50%左右，隨著網(wǎng)側(cè)電流值增大至限幅值，網(wǎng)側(cè)功率隨之增大;網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)瞬間，同樣由于網(wǎng)側(cè)電流變化的滯后性，使網(wǎng)側(cè)功率瞬間增大。(4)當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)一段時(shí)間里，網(wǎng)側(cè)電流和功率恢復(fù)至跌落前水平，低電壓穿越結(jié)束。

上位機(jī)操作流程如圖11 所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波形深入分析

以下是針對(duì)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析。圖12 為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min、并網(wǎng)功率為7.5 kW 時(shí)的電流波形，有效值9.4 A。從圖12 中可以看出，并網(wǎng)電流波形三相對(duì)稱(chēng)、諧波較少。

圖12 額定狀態(tài)下并網(wǎng)電流波形

圖13 為電網(wǎng)A 相電壓與電流波形。從圖13 中可以看出，電網(wǎng)電壓與電流同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，提高了電能質(zhì)量。

圖13 穩(wěn)態(tài)時(shí)電網(wǎng)A 相電壓與電流波形

圖14 為電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)(跌落深度50%，跌落持續(xù)時(shí)間1 213 ms)直流母線(xiàn)電壓、卸荷電阻電流、三相并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形圖。從圖14 中看出，實(shí)驗(yàn)波形與上述理論分析一致。跌落期間當(dāng)母線(xiàn)電壓升至680 V 左右時(shí)，卸荷電阻動(dòng)作，降至630 V 左右時(shí)，卸荷電阻切出。電網(wǎng)電流隨著電網(wǎng)電壓跌落稍微滯后上升，隨著電網(wǎng)電壓恢復(fù)稍微滯后恢復(fù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種功能完整、體系開(kāi)放、上位機(jī)友好的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常并網(wǎng)運(yùn)行以及電網(wǎng)故障狀態(tài)下，平臺(tái)較理想地完成了設(shè)定的控制目標(biāo)，證明了該平臺(tái)的有效性、實(shí)用性，為在實(shí)驗(yàn)室中研究永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電教學(xué)提供了實(shí)踐平臺(tái)。

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