小功率風(fēng)力發(fā)電試驗平臺設(shè)計

王曉明，李燦

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會對能源的需求越來越大，但是煤炭和石油等能源是有限且不可再生的，所以世界各國都加大了對新能源的開發(fā)和利用，風(fēng)能以其固有的優(yōu)勢，日益受到人們的關(guān)注［1-3］。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用雙饋電機或直驅(qū)電機，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電以其自身的優(yōu)點成為未來風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的方向。在實驗室建立直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的試驗平臺，研究變流器以及并網(wǎng)的控制策略，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展十分重要。在對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理研究的基礎(chǔ)上，致力于小功率直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電試驗平臺的設(shè)計是工作的重點。

1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)力機和永磁同步發(fā)電機直接耦合，與雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比較省去了故障率較高的齒輪箱［4］。永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永磁式，無需外部提供勵磁。永磁同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電，經(jīng)整流器整流成直流電后，再經(jīng)過逆變器變換為頻率恒定的交流電并入電網(wǎng)。發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能都要經(jīng)過變流器送入電網(wǎng)，變流器的容量和永磁同步發(fā)電機的容量相同。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分的組成及功能如下：

（1）發(fā)電系統(tǒng) 由風(fēng)力機帶動永磁同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電，并送入整流器進行整流，是整個系統(tǒng)能量的來源。

圖1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路示意圖

（2）變流器 采用IPM智能功率模塊構(gòu)成AC／DC和DC／AC變流器，采用一定的控制方法控制發(fā)電機側(cè)變流器，將發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制發(fā)電機發(fā)出的交流電為正弦交流電；控制網(wǎng)側(cè)變流器工作在有源逆變狀態(tài)，把直流電變換為三相正弦交流電并能進行單位功率因數(shù)并網(wǎng)。IPM模塊將功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，并有過電壓、過電流以及橋臂互鎖等保護電路。

（3）中間直流環(huán)節(jié) 采用大電容作為中間直流環(huán)節(jié)，其主要作用是緩沖變流器交流側(cè)和直流負載之間的能量交換，并能穩(wěn)定直流側(cè)電壓，抑制直流側(cè)諧波電壓。

2 試驗平臺方案設(shè)計

2.1 試驗平臺的硬件設(shè)計

試驗平臺系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機模擬裝置、永磁同步發(fā)電機，背靠背雙PWM變換器、電壓電流檢測裝置、并網(wǎng)變壓器以及主控DSP芯片以及相應(yīng)的驅(qū)動和保護電路。

The New Energy Power ControI TechnoIogy

（1）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電試驗平臺采用變頻器拖動三相異步電動機模擬風(fēng)力機，帶動永磁同步發(fā)電機運行，異步電動機和永磁同步發(fā)機均采用容量為500W的電機，異步電機和永磁同步發(fā)電機安裝在同一個底座上，并用聯(lián)軸器連接，采用光電編碼器測量電機的實時轉(zhuǎn)速。異步電機的控制采用變頻器調(diào)速來控制電機的轉(zhuǎn)速，用來模擬風(fēng)速的變化。（2） 發(fā)電機側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器可以采用IPM模塊和IGBT封裝模塊構(gòu)建，試驗平臺采用IPM智能功率模塊，總共需要2片IPM模塊構(gòu)造機側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器。由于試驗平臺的設(shè)計是基于容量為500W的永磁同步發(fā)電機，而變流器的容量選擇與電機相同或略大一些，所以IGBT單管的耐壓值應(yīng)選取1 200V以上，電流值選取40A，中間直流環(huán)節(jié)采用兩只220uF的電解電容串聯(lián)，以提高耐壓值。

（3） 根據(jù)永磁同步發(fā)電機的輸出電壓和輸出功率，并留取一定的安全裕量，并網(wǎng)變壓器的容量選取為0.8 kW。并網(wǎng)逆變器的輸出經(jīng)并網(wǎng)變壓器直接與電網(wǎng)連接運行。

（4） 試驗平臺中的機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器分別采用兩塊DSP開發(fā)板控制，兩片控制芯片通過串口進行通訊。兩套DSP控制電路均采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2812芯片負責(zé)AD采樣、完成控制算法以及生成SVPWM驅(qū)動波。

（5） 在試驗平臺系統(tǒng)中需要分別采樣機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的交流電壓和交流電流以及中間直流環(huán)節(jié)的電壓值，該系統(tǒng)采樣使用LEM公司生產(chǎn)的電壓和電流傳感器，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置通過光電編碼器檢測得到。傳感器參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的容量選擇安裝。試驗平臺硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

2.2 試驗平臺的控制方案設(shè)計

在試驗平臺系統(tǒng)中發(fā)電機側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器分別采用一套DSP芯片單獨控制，兩片DSP之間通過串口交換數(shù)據(jù)。發(fā)電機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

2.2.1 發(fā)電機側(cè)變流器控制

發(fā)電機側(cè)變流器的控制基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向［5］，電流內(nèi)環(huán)使用直接電流控制，完成實際電流對指令電流的跟蹤。直接電流控制提高了變流器交流側(cè)的動、靜態(tài)性能，同時弱化了電流對控制系統(tǒng)參數(shù)的敏感度，從而提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。通過傳感器檢測得到機側(cè)變流器交流側(cè)電壓、電流值，經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)理后送入主控DSP芯片，通過坐標(biāo)變換得到有功電流分量id和無功電流分量iq。電壓外環(huán)的輸出作為電流環(huán)的有功給定輸入，無功電流給定值設(shè)定為0，使變流器運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。電流內(nèi)環(huán)控制采用前饋解耦的控制方式以消除系統(tǒng)內(nèi)的耦合［6］，從而實現(xiàn)了d、q軸電流的獨立控制。

2.2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器控制采用電網(wǎng)電壓定向，控制方式與發(fā)電機側(cè)變流器控制方式基本一致，也是電壓電流雙閉環(huán)的控制方式。整個控制系統(tǒng)采用SVPWM波調(diào)制，提高了系統(tǒng)直流側(cè)電壓的利用率和系統(tǒng)的控制性能，取得了較好的控制效果。試驗平臺系統(tǒng)整體控制方案如圖3所示：

3 實驗結(jié)果分析

基于風(fēng)力發(fā)電試驗平臺原理的研究，根據(jù)系統(tǒng)的硬件元器件選型和控制方案設(shè)計，構(gòu)造了試驗系統(tǒng)，永磁同步電機為500W，1 000r／min，濾波電感為6mH，通過并網(wǎng)變壓器直接并入三相電網(wǎng)，對系統(tǒng)在額定功率下進行了調(diào)試，其實驗結(jié)果如下：

圖4是發(fā)電機側(cè)變流器整流實驗波形，實驗結(jié)果表明永磁同步發(fā)電機定子電壓、電流是近似的正弦波，電壓電流同相位，變流器工作在單位功率因數(shù)整流狀態(tài)。

圖5是網(wǎng)側(cè)逆變器輸出并網(wǎng)電流波形，實驗結(jié)果表明網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的并網(wǎng)電流是正弦波，諧波干擾較小，能夠滿足電網(wǎng)對電流的要求。由圖6可以看出電壓和電流相位相反，逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

圖6 逆變實驗結(jié)果

在分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電試驗平臺系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，通過對試驗平臺的硬件設(shè)計、元器件選型以及軟件設(shè)計，最后在實驗室搭建了試驗平臺，并在試驗平臺上進行了發(fā)電機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制試驗，并對試驗結(jié)果進行了分析。實驗結(jié)果證明了試驗平臺硬件設(shè)計以及控制方案的合理性和正確性。該平臺為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各種控制算法提供了實現(xiàn)的平臺，并能完成最大風(fēng)能跟蹤和并網(wǎng)實驗。

［1］王承煦.風(fēng)力發(fā)電［M］.北京：中國電力出版社，2005.

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［6］張崇興，張興.PWM 整流器及其控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.