雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：基于在亞同步和超同步工作模式下實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電工作原理，設(shè)計了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺，主回路包含三相繞線式異步電機、代替風(fēng)力機的直流調(diào)速電機、直流伺服驅(qū)動器、雙PWM勵磁變換模塊和各類低壓電器，控制電路包含TMS320F28335型DSP、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、采樣電路、驅(qū)動電路和PLC控制回路，監(jiān)控電路主要包含PLC上位機監(jiān)控系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件對風(fēng)速進行控制和監(jiān)控，最終實現(xiàn)了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺的實物研制。

關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng);風(fēng)力發(fā)電;實驗平臺

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，到2050年地球上的石油儲量將開采完，石油占據(jù)全球年耗能的40%;到2230年左右地球上的煤炭將開采完，煤炭占據(jù)全球年耗能的30%;到2070年天然氣將枯竭，天然氣占據(jù)全球年耗能的20%[1]。從以上數(shù)據(jù)可以看出，世界上主要的能源將在不久的將來開采完，而隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，世界各國對于能源的需求越來越大，傳統(tǒng)的能源有限，因此，開發(fā)利用新能源來補充現(xiàn)有能源的短缺，已經(jīng)成為全球各國亟需解決的問題。

新能源是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，生活中的風(fēng)大多是由于溫差產(chǎn)生的，自然界中的也一樣，太陽輻射到地球表面，地球表面受熱不均勻，各個空間位置的溫度不一樣，會產(chǎn)生溫差，進而形成空氣的流動，當(dāng)大范圍的區(qū)域有溫差時，自然界的風(fēng)就形成了，風(fēng)能就是空氣的動能，其大小不僅和風(fēng)速有關(guān)，還和溫度、空氣密度等有關(guān)[2]。

部分風(fēng)能不能被直接使用，必須將其轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量。風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，使用風(fēng)力發(fā)電機能將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，供人們使用。我國東部沿海城市眾多，且大多為較發(fā)達城市，對能源的需求較大，而東部沿海海岸線較長，周邊風(fēng)能存儲能量較大，如何將其有效利用起來成為我國亟待解決的問題。在此基礎(chǔ)上，本文對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺進行了設(shè)計，并成功實現(xiàn)了實物的研制。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電工作原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要承擔(dān)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，其中風(fēng)力機的主要任務(wù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，雙饋感應(yīng)發(fā)電機主要將風(fēng)力機傳遞的機械能轉(zhuǎn)化為電能。雙饋感應(yīng)發(fā)電機是整個發(fā)電系統(tǒng)的核心[3]，因此首先對其工作原理進行闡述。

由電機學(xué)可知，發(fā)電機（電動機）的輸出（輸入）電壓頻率f、電機極對數(shù)p和電機旋轉(zhuǎn)速度nr三者之間存在一定的關(guān)系，即：

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含風(fēng)力機、雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器、控制電路、感抗器、變壓器、電網(wǎng)和其他低壓控制電路等部分。DFIG定子繞組連接電網(wǎng)，用于將輸出的電能傳遞到電網(wǎng)上。DFIG轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器與風(fēng)力機相連接，風(fēng)力機通過最佳葉尖速比，能夠?qū)L(fēng)能最大限度轉(zhuǎn)化為機械能，供整個系統(tǒng)使用。DFIG轉(zhuǎn)子繞組連接轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，能夠?qū)a(chǎn)生的電能與電網(wǎng)進行雙向傳遞[4]。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要的工作狀態(tài)包含亞同步、超同步和同步狀態(tài)。

雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)在亞同步狀態(tài)運行時的工作原理如圖1（a）所示，此時DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于氣隙磁場旋轉(zhuǎn)速度，其能量流向為風(fēng)力機產(chǎn)生的機械能一部分從雙饋感應(yīng)電機定子繞組傳遞到電網(wǎng)上，另外一部分從電網(wǎng)通過雙PWM勵磁變換器反饋到雙饋感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組上，發(fā)電機功率關(guān)系：輸入的機械功率=定子側(cè)輸入給電網(wǎng)的電能-電網(wǎng)給轉(zhuǎn)子側(cè)的電能。

雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)在超同步狀態(tài)運行時的工作原理如圖1（b）所示，此時DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于氣隙磁場旋轉(zhuǎn)速度，其能量流向為風(fēng)力機產(chǎn)生的機械能一部分從雙饋感應(yīng)電機定子繞組傳遞到電網(wǎng)上，另外一部分從雙饋感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組通過雙PWM勵磁變換器傳遞到電網(wǎng)上，發(fā)電機功率關(guān)系：輸入的機械功率=定子側(cè)輸入給電網(wǎng)的電能+轉(zhuǎn)子側(cè)給電網(wǎng)的電能。

當(dāng)DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于氣隙磁場旋轉(zhuǎn)速度時，雙饋感應(yīng)電機等同于同步發(fā)電機，雙饋感應(yīng)電機與雙PWM勵磁變換器之間沒有能量的傳遞，其能量流向為風(fēng)力機產(chǎn)生的機械能全部從雙饋感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組傳遞到電網(wǎng)，發(fā)電機功率關(guān)系：輸入機械功率=定子側(cè)輸入給電網(wǎng)的電能。

雙饋感應(yīng)電機主要工作在亞同步和超同步工作狀態(tài)，其轉(zhuǎn)子通過交流勵磁電源既可以吸收電網(wǎng)的電能，又能將電能傳遞給電網(wǎng)，實現(xiàn)了能量的雙饋，因此命名為雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）。DFIG功率傳遞與普通交流電機有很大的不同，定/轉(zhuǎn)子能同時進行功率傳遞，其電能利用率高。

2 實驗平臺設(shè)計

本文設(shè)計的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺原理如圖2所示，其硬件結(jié)構(gòu)主要包含斷路器、電抗器、隔離變壓器、熔斷器、西門子直流調(diào)速裝置、直流電機、聯(lián)軸器、三相繞線式異步電機、雙PWM勵磁變換模塊、PLC、上位機監(jiān)控和主控板電路等部分。由于該系統(tǒng)由多個CPU構(gòu)成，因此為主從式數(shù)字分布控制系統(tǒng)，主站主要是DSP電路，從站包含PC監(jiān)控和PLC控制繼電器電路。

在主回路中，發(fā)電機使用三相繞線式異步電機，直流電機的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器與三相繞線式異步電機轉(zhuǎn)子相連來代替風(fēng)力機，PLC控制西門子直流伺服驅(qū)動器，進而控制直流電機轉(zhuǎn)速來模擬風(fēng)速。直流電機通過轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器拖動繞線式電機轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電，繞線式異步電機發(fā)出的三相電通過雙PWM變換器模塊將三相電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl50 Hz、相電壓有效值220 V和相位角相差120°的市電，并連入電網(wǎng)。

系統(tǒng)控制部分由TMS320F28335型DSP控制芯片、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、AD5675模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、驅(qū)動隔離和各部分接口組成。其中TMS320F28335型控制芯片在保持傳統(tǒng)DSP處理器優(yōu)點的基礎(chǔ)上，集成了復(fù)雜的浮點運算模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)32位浮點型數(shù)據(jù)的運算，這為電機復(fù)雜的矢量運算提供了方便，該芯片主要用于控制PWM信號，并讀取EP1C12Q240I8型芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。此外，EP1C12Q240I8用于將采集的各個信號傳輸給主控芯片，AD5675模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片分別采集市電的三相電流、三相電壓、兩相正弦信號相位差、電磁轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速，DFIG發(fā)出的三相電壓、三相電流、直流母線電壓，雙PWM輸出的三相電壓和三相電流等信號。驅(qū)動部分主要使用2SP0115T驅(qū)動芯片，用于PWM驅(qū)動信號的放大。

系統(tǒng)監(jiān)控部分主要包含PC上位機監(jiān)控系統(tǒng)。通過施耐德PLC組態(tài)軟件對風(fēng)速進行控制和監(jiān)控，利用CCS3.3編譯軟件和仿真器對系統(tǒng)的監(jiān)測電壓、電流進行監(jiān)控。PLC控制主電路的通斷信號，包含西門子直流調(diào)速器、接觸器和繼電器等回路。

3 硬件實物

圖3所示為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺實物主控制柜的正面和反面，柜體正面上方包含雙PWM勵磁變換器和直流伺服電機驅(qū)動器，用于控制電源電壓和頻率的變化以及直流電機的調(diào)速;中間包為電抗器、變壓器和接觸器，用于抵抗三相電網(wǎng)的波動及主回路的控制;下方為三相電源母盤，用于三相電壓的傳遞，各種接線端子用于信號的傳遞。反面有電阻箱，用于在系統(tǒng)脫離電網(wǎng)時消耗多余的能量;開關(guān)電源用于將220 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V直流電，為主控板和其他電器提供電源;主控板用于整個系統(tǒng)的控制;施耐德PLC控制器用于控制各類繼電器。

4 結(jié)語

在全球石油、煤炭和天然氣等主要傳統(tǒng)能源即將被開采完，開發(fā)新能源成為全球各國亟需解決的問題的背景下，本文首先介紹了風(fēng)能的產(chǎn)生原理及風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用;然后闡述了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，詳細分析了亞同步、超同步工作模式下系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的工作過程;接著對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺進行了設(shè)計，對系統(tǒng)的主回路、控制部分和監(jiān)控部分進行了詳細設(shè)計;最后在雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計原理框圖的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了實驗平臺實物的研制，并對實驗平臺中各個模塊的布局進行了說明。

[參考文獻]

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收稿日期：2021-07-29

作者簡介：張?zhí)K新（1987—），男，江蘇蘇州人，工程碩士，講師，研究方向：電氣控制、智能控制。