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基于DSP的异步风力发电机组软并网控制器的设计

字号+ 作者:admin 来源:未知 2010-04-17 10:33 我要评论( )

1 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


1  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5~7倍,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[1]。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1.5~2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,一般采用降低电机输入电压的方法,因此可通过晶闸管调压电路来控制电压的大小[4][5]。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。

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[6]

运用上述两种控制方式,对一台2.2kVA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),R1=2.68Ω,R2=2.85Ω,X=X=3.62Ω,Xm=79.5Ω,电机转子和负载转动惯量J=0.02kg·m2,旋转阻力系数RΩ=0.004N·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Tmech=1.5N·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0.28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Kp=0.5,K1=0.15。

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   

    

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。

4.1  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:

①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)[7]。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。

②三相晶闸管。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(dV/dt),防止误触发。

③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。

④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A/D口,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。

⑤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,不能驱动晶闸管,所以须通过隔离放大电路进行功率放大。

 

图4  软并网控制器原理图

⑥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。

4.2  软并网控制器的软件实现

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和软件流程。基于该设计方案的软并网控制技术已通过了初步的实验验证。

图 5


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