直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節系統的製作方法
2023-11-30 15:49:21
專利名稱：直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及發電機控制領域，具體涉及到直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節系統。
背景技術：
隨著全球能源消耗速度的持續增長，常規能源資源日益枯竭。風能發電以其無汙染，施工周期短，投資靈活，佔地少，造價低等特點，越來越受到世界各國的重視。與傳統的風力發電機組拓撲結構相比，直驅式永磁同步風力發電機組因無需變速箱和傳動裝置等，具有縮短驅動鏈、減少機械應力、降低機械噪聲，提高輸出電能質量、增加能量捕捉等優點。隨著電力電子技術和電機技術的發展、永磁材料和現代控制技術的引入，直驅式永磁風力發電機組是風力發電發展的趨勢，國外形容其為風力發電的一場革命。風力發電技術的發展主要體現在併網型風力發電機組的併網技術以及最大風能捕獲即功率調節的控制技術上的提高。國內外對直驅式永磁同步風力發電機組的交流併網控制及最大風能捕獲進行了一定的研究。
風力機系統是一個非線性不穩定的複雜系統，系統具有不確定性，傳統的變速控制模式需要首先建立一個有效的系統模型，而由於空氣動力學的不確定性和電力電子模型的複雜性，系統模型的確定不是件容易的事情。從已列出的那些可能影響風力發電機組性能的誤差源和不確定性因數中，研究人員發現，由於雷諾數的變化會引起在功率上5％的誤差，而由於葉片上的沉積物和下雨可造成20％的功率變化，其它諸如大氣條件和老化等因素，也將在機組的能量轉換過程中引起不同程度的變化。因此所有基於某些有效系統模型的控制也僅適合於某個特定的系統和一定的工作周期。
綜上所述，傳統的風力發電系統存在以下缺陷或不足 1、傳統的複雜的控制發電機數學模型的方法或通過中間直流變換或通過功率擾動實現風能跟蹤的方法，過分依賴數學模型，不能有效實現最大風能的跟蹤及捕獲。
2、現有的風力發電系統，一部分沒有採用併網準周期裝置或採用自同期裝置，在併網瞬間，造成對發電機和電力電子裝置電流衝擊、電壓應力很大；另一些即使採用併網準周期裝置，因併網與功率調節裝置分離，硬體結構複雜，成本昂貴，增加整機造價。
3、現有的風力發電系統大部分採用異步發電機直接接入電網，發電質量不高，諧波汙染嚴重。
4、現有的風力發電系統或控制算法繁瑣或魯棒性不強，缺乏對直驅式永磁同步風力發電機組交流併網及功率調節控制系統的簡單可靠性研究。
5、傳動的風力發電系統大部分因採用變速箱，增加了傳動、驅動鏈和機械、摩擦損耗，造成能源浪費。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點，提供直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節系統，本實用新型併網與功率調節裝置合二為一，並能實現風能最大捕獲、控制方法簡單、系統結構簡單、穩定性好、成本低廉且易於實現。
本實用新型的目的通過下述技術方案實現一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，包括微處理器，所述微處理器同時與永磁同步發電機、三相整流電路、濾波電路、三相全橋逆變電路、變壓器連接。
所述微處理器的輸入端通過發電機輸出電壓互感器及其運算放大器與永磁同步發電機的輸出端連接；所述微處理器的輸入端通過電壓互感器及其運算放大器與濾波電路的輸出端連接；所述微處理器的輸出端通過IGBT驅動模塊與三相全橋逆變器電壓互感器的輸入端連接，所述微處理器的輸入端通過逆變器電壓互感器及其運算放大器與三相全橋逆變器電壓互感器的輸出端連接；所述微處理器的輸入端依次通過同步鎖相控制電路、整形電路與電網的輸出端連接，所述微處理器的輸入端還通過電壓及其運算放大器、電流互感器及其運算放大器與電網的輸出端連接。
所述微處理器是DSP控制器。
所述IGBT驅動模塊是EXB841。
本實用新型與現有技術相比具有如下優點和有益效果 1、本實用新型通過逆變器輸出電壓與電網電壓的相位功角控制，從而對網側輸出功率直接控制，無需控制發電機，可以較好地實現最大風能跟蹤； 2、本實用新型可以實現變速恆頻、最大風能跟蹤、無衝擊併網控制，而且併網電流諧波含量很低，是一種簡單可行且具有實用價值的控制方法； 3、本實用新型採用自帶內置的AD轉換模塊的控制晶片DSP2407，其高度集成化，數位化和高速的運算功能，用它來做整個系統的數字直接控制時，可獲得高穩定性，高可靠性，小型化、便於維護和提高性能等控制效果，從而使整個系統控制簡單，穩定性好，成本低廉等特點； 4、本實用新型提供的直驅式永磁同步風力發電機比傳統的風力發電機更加簡單可靠，是一種較好的併網型風力發電方式。不可控整流加可控逆變的交直交結構是直驅式風力發電機較理想的併網電路。
圖1為本實用新型直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節系統的結構示意圖； 圖2為本實用新型的併網型直驅式永磁同步風力發電機組功率流動示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限於此。
實施例 如圖1所示，一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，包括微處理器，所述微處理器的輸入端通過發電機輸出電壓互感器及其運算放大器與永磁同步發電機的輸出端連接；所述微處理器的輸入端通過電壓互感器及其運算放大器與濾波電路的輸出端連接；所述微處理器的輸出端通過IGBT驅動模塊與三相全橋逆變器電壓互感器的輸入端連接，所述微處理器的輸入端通過逆變器電壓互感器及其運算放大器與三相全橋逆變器電壓互感器的輸出端連接；所述微處理器的輸入端依次通過同步鎖相控制電路、整形電路與電網的輸出端連接，所述微處理器的輸入端還通過電壓及其運算放大器、電流互感器及其運算放大器與電網的輸出端連接。所述風輪與永磁同步發電機連接，所述永磁同步發電機依次通過三相整流電路、濾波電路、三相全橋逆變器與升壓變壓器連接。所述微處理器還同時連接有時鐘電路和電源電路。
本實用新型微處理器是TI公司的TMS320F2407型DSP控制器，TI公司的TMS320F2407型DSP控制器片內包含4個定時器/比較器T1、T2、T3和T4。其中，T1，T3分別可做為通用比較器1/2/3和4/5/6的時基，T2可作為系統時鐘，T4可作為模數轉換的時鐘。所述IGBT驅動模塊是EXB841。
分析風力機的功率特性可知，一定風速下，風力機功率曲線有一最大功率點，將不同風速的最大功率點連起來即為最優功率曲線。最優功率曲線只與轉速有關 式中Popt為風輪最大輸出功率；Cpmax為風輪的利用係數；A＝πR2為風輪掃掠面積；ρ為空氣密度；υ為風速；R為風輪半徑，為葉尖速比，ωm為風輪機械角速度，α為風機槳矩角，T為機械轉矩。由式(1)和式(2)可知，最大風能跟蹤的要求就是風速變化時轉速跟蹤變化，保持運行在最優功率曲線上。
如圖1所示，採用不可控整流和可控逆變作為直驅式永磁同步風力發電機，框圖中可控逆變部分不僅完成DC/AC逆變功能，還實現併網裝置功能。為保證併網瞬間發電機與電網上的電壓、頻率一致，通過微處理器採集電網電壓、頻率、相位等參數，然後作為調製波控制逆變器輸出電壓，當逆變器輸出電壓跟蹤電網電壓變化時，在任意時刻，可進行合閘併網。此種併網方式，併網瞬間不會產生衝擊電流，不會引起電網電壓的下降，也不會對發電機定子繞組及其它機械部件造成損壞。
本實用新型電網交流採樣採用基於正弦函數模型的算法，其核心思想為假設電流、電壓為理想的正弦波，利用相差為π/2角度的兩點互為正餘弦的特點來構成兩點乘積算法。因當併網處電網遠離汙染源時，無窮大電網與理想正弦波很接近，所以假設電流、電壓為理想的正弦波是可行的，以電流為例，可表示式中I為有效值，ω為角頻率，αI為初相角，設每個周波採樣N點，n為採樣時刻，則上式離散化為 設有相隔π/2(即1/4個周波)的兩個採樣時刻n1和n2，滿足關係式用i1和i2表示這兩個時刻的電流採樣值，則有 將上兩式平方後相加得 即可得電流有效值，同理，電壓有效值為 式中U為電壓有效值，u1和u2為相隔1/4周波的兩個採樣點的值。如果構成距離保護，則可進一步得到視在阻抗值Z及其幅角αZ 其中αu為電壓初相角； 該算法本身的數據窗長度為1/4周期，對工頻50Hz來說只需5ms，速度是很快的，所以大大減少了計算量，增加了計算速度，對數據儲存器(RAM)空間要求也甚少，對DSP處理晶片來說，內置的空間資源已足以，無需擴充外部RAM，從而有效控制了成本。
最大風能捕獲即功率調節控制，風力機系統是一個非線性不穩定的複雜系統，系統具有不確定性，傳統的變速控制模式需要首先建立一個有效的系統模型，而由於空氣動力學的不確定性和電力電子模型的複雜性，系統模型的確定不是件容易的事情。從已列出的那些可能影響風力發電機組性能的誤差源和不確定性因數中，研究人員發現，由於雷諾數的變化會引起在功率上5％的誤差，而由於葉片上的沉積物和下雨可造成20％的功率變化，其他諸如大氣條件和老化等因素，也將在機組的能量轉換過程中引起不同程度的變化。因此所有基於某些有效系統模型的控制也僅適合於某個特定的系統和一定的工作周期。相對於傳統的複雜的控制發電機數學模型的方法或通過中間直流變換或通過功率擾動實現風能跟蹤的方法，本文根據圖1所示的結構，提出對逆變器輸出電壓與電網電壓相位功角的控制，從而對網側變換器輸出功率直接控制以實現最大風能跟蹤。
忽略發電機定子繞組損耗及附加損耗，有如下功率關係，如圖2所示 式中Pm為風力機輸出功率即原動機輸入功率，Pg為發電機輸出功率，P1為逆變器輸出功率，PΔ為電力電子部分總的損耗，J為風力機和發電機總的轉動慣量，C為直流穩壓部分電容值。
只要直接控制網側逆變器輸出有功功率按照式(1)變化，就能實現最大風能跟蹤，由於電容在這裡主要起穩壓作用，其存儲能量遠小於風力機和發電機的轉動動能，所以Pg≈P1+PΔ(實際Pg是跟蹤Popt(原動機最佳輸入功率)變化)，PΔ為電力電子部分總的損耗，為實現併網運行的可靠性和控制的簡單性出發，從整流裝置到逆變器裝置的電力電子部分的損耗為一線性變化的量，即隨著開關頻率和電流的增加或輸出功率的變化而線性變化，實際運算可以採用查表。
在本實用新型中，通過最大風能的暫態分析(即在風速穩定的情況下)和最大風能的動態分析(即在風速變化的情況下)對三相全橋逆變器輸出功率調及電網電壓相位功角的控制實現的最大風能的捕獲。
(1)最大風能捕獲暫態分析下 逆變器輸出功率為式中，p1為逆變器輸出功率，m為相數，u1為逆變器輸出電壓，uS為網測電壓，xt為變壓器及線路等效阻抗，δ為u1與uS的夾角，即功角。
假設電力電子部分總的損耗為pΔ＝kp1(10)，式中，pΔ為電力電子部分總的損耗，k為係數，根據p1的變化而變化，通過查表法可得。
發電機輸出功率為pg＝p1+pΔ＝p1+kp1＝(1+k)p1＝ηp1(11)式中，pg為發電機輸出功率，η＝1+k為轉換係數。
忽略定子繞組電阻損耗及附加損耗時，發電機的輸出功率pg近似等於其電磁功率，即pg≈Pem＝TemΩr(12)，式中Pem為電磁功率；Tem為發電機的電磁轉矩；Ωr為發電機轉子同步旋轉角速度。
根據能量及功率守恆和上面(1)~(4)式可得 由(13)式可得功角為 由(14)式可得功角為式中，α為發電機轉換效率，δopt為最佳功角。
(2)在最大風能捕獲動態分析下 根據轉子運動方程得 因為pg≈Pem＝TemΩr，且式中kD為發電機粘滯係數，m為相數，隨意我們可以構造控制方程，假設令 其中pg*為最佳功率，又因為所以代入(17)式，即由此可得其中式中k1為大於零的常量，Ωr*為發電機轉子最佳同步旋轉角速度 風機穩態運行時Ωr＝Ωr*，則 風機非穩態運行時 由(17)～(19)式得 令 即令x＝Ωr-Ωr*(21)， 由此可得Ωr-Ωr*＝x＝ceAt(22)。
為防止發電機進入不穩定區域，對功角δ的控制必須滿足以下條件δ≤90° 又因為 式中，E0為轉子勵磁磁場在定子上產生的電勢，ug為發電機定子輸出電壓，δG為發電機功角，xd為定子阻抗 因為又因為E0＝k3ω，u可測，則由此可得，功角δ只需按照上式變化並滿足上式要求即可，從而實現了風能的最大捕獲，在隨機變化的風速中，能平穩的跟蹤風速變化，對設備和裝置的衝擊降低到最少，保證了最佳狀態運行和最大功率輸出。
權利要求1. 一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，其特徵在於，包括微處理器，所述微處理器同時與永磁同步發電機、三相整流電路、濾波電路、三相全橋逆變電路、變壓器連接。
2. 根據權利要求1所述的一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，其特徵在於，所述微處理器的輸入端通過發電機輸出電壓互感器及其運算放大器與永磁同步發電機的輸出端連接；所述微處理器的輸入端通過電壓互感器及其運算放大器與濾波電路的輸出端連接；所述微處理器的輸出端通過IGBT驅動模塊與三相全橋逆變器電壓互感器的輸入端連接，所述微處理器的輸入端通過逆變器電壓互感器及其運算放大器與三相全橋逆變電路的輸出端連接；所述微處理器的輸入端依次通過同步鎖相控制電路、整形電路與電網的輸出端連接，所述微處理器的輸入端還通過電壓及其運算放大器、電流互感器及其運算放大器與電網的輸出端連接。
3. 根據權利要求1所述的一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，其特徵在於，所述微處理器是DSP控制器。
4. 根據權利要求2所述的一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，其特徵在於，所述IGBT驅動模塊是EXB841。
專利摘要本實用新型公開了一種直驅式永磁同步風力發電機併網與功率調節控制系統，包括微處理器，所述微處理器同時與永磁同步發電機、三相整流電路、濾波電路、三相全橋逆變電路、變壓器連接。本實用新型可以較好地實現風能跟蹤，穩定性高，可靠性高，小型化、便於維護和提高性能等控制效果，從而使整個系統控制簡單、成本低廉等優點。
文檔編號H02J3/38GK201118251SQ20072005297
公開日2008年9月17日 申請日期2007年6月19日 優先權日2007年6月19日
發明者劉永強 申請人:華南理工大學