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(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)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(guó)都加大了對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用，風(fēng)能以其固有的優(yōu)勢(shì)，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(jī)或直驅(qū)電機(jī)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電以其自身的優(yōu)點(diǎn)成為未來(lái)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的方向。在實(shí)驗(yàn)室建立直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的試驗(yàn)平臺(tái)，研究變流器以及并網(wǎng)的控制策略，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展十分重要。在對(duì)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(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是工作的重點(diǎn)。

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(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子為永磁式，無(wú)需外部提供勵(lì)磁。永磁同步發(fā)電機(jī)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(guò)逆變器變換為頻率恒定的交流電并入電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能都要經(jīng)過(guò)變流器送入電網(wǎng)，變流器的容量和永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電，并送入整流器進(jìn)行整流，是整個(gè)系統(tǒng)能量的來(lái)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(jī)側(cè)變流器，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制發(fā)電機(jī)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(jìn)行單位功率因數(shù)并網(wǎng)。IPM模塊將功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，并有過(guò)電壓、過(guò)電流以及橋臂互鎖等保護(hù)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(fù)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(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

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

The New Energy Power ControI TechnoIogy

（1）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)采用變頻器拖動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)，帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步發(fā)機(jī)均采用容量為500W的電機(jī)，異步電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)安裝在同一個(gè)底座上，并用聯(lián)軸器連接，采用光電編碼器測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)的控制采用變頻器調(diào)速來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用來(lái)模擬風(fēng)速的變化。（2） 發(fā)電機(jī)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(yàn)平臺(tái)采用IPM智能功率模塊，總共需要2片IPM模塊構(gòu)造機(jī)側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器。由于試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是基于容量為500W的永磁同步發(fā)電機(jī)，而變流器的容量選擇與電機(jī)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(jī)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(yùn)行。

（4） 試驗(yàn)平臺(tái)中的機(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，兩片控制芯片通過(guò)串口進(jìn)行通訊。兩套DSP控制電路均采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2812芯片負(fù)責(zé)AD采樣、完成控制算法以及生成SVPWM驅(qū)動(dòng)波。

（5） 在試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中需要分別采樣機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置通過(guò)光電編碼器檢測(cè)得到。傳感器參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的容量選擇安裝。試驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)的控制方案設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器分別采用一套DSP芯片單獨(dú)控制，兩片DSP之間通過(guò)串口交換數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)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(jī)側(cè)變流器控制

發(fā)電機(jī)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(shí)際電流對(duì)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(dòng)、靜態(tài)性能，同時(shí)弱化了電流對(duì)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(guò)傳感器檢測(cè)得到機(jī)側(cè)變流器交流側(cè)電壓、電流值，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路調(diào)理后送入主控DSP芯片，通過(guò)坐標(biāo)變換得到有功電流分量id和無(wú)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(wú)功電流給定值設(shè)定為0，使變流器運(yùn)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(shí)現(xiàn)了d、q軸電流的獨(dú)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(jī)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(gè)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(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)整體控制方案如圖3所示：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)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(jì)，構(gòu)造了試驗(yàn)系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)為500W，1 000r／min，濾波電感為6mH，通過(guò)并網(wǎng)變壓器直接并入三相電網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)在額定功率下進(jìn)行了調(diào)試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖4是發(fā)電機(jī)側(cè)變流器整流實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明永磁同步發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(yǔ)

圖6 逆變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

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

［2］周維來(lái).基于雙PWM控制永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器的研究［J］.節(jié)能與新能源，2010，20（10）：60-63.

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