CN102843085B - 一种双馈风机励磁控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制装置及其控制方法，尤其是涉及一种双馈风机励磁控制装置及其控制方法。一种双馈风机励磁控制装置，其特征在于，包括风力特性模拟装置、分别与风力特性模拟装置相连的交流励磁发电装置和DSP控制装置，所述的DSP控制装置还连接有一个励磁变压装置，所述的励磁变压装置通过一个激励转换开关与所述交流励磁发电装置相连。因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2. 能够用于模拟变速恒频的交流励磁双馈风力发电机的风力发电系统，供教学和科研使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制装置及其控制方法，尤其是涉及一种双馈风机励磁控制装置及其控制方法。
背景技术
风电作为一种重要的可再生能源，对缓解世界能源危机和环境恶化具有重要意义。当前，世界各国都投入了大量人力、物力和财力，积极开展对风电技术的研究。在实验室采用模拟技术搭建的风力发电模拟试验系统，可以实现对风电场、风力机和风力发电机及其控制系统的模拟，为风电技术的研究，尤其为风力发电机及其控制技术、并网技术、低电压穿越控制技术、最大风电功率追踪技术、抑制风电功率波动的储能及其控制技术等研究，提供了十分便利的研究平台，然而，现在科研教学还没有用于模拟变速恒频的交流励磁双馈风力发电机的风力发电系统。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种用于模拟变速恒频的交流励磁双馈风力发电机的风力发电系统，供教学和科研使用的一种双馈风机励磁控制装置及其控制方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种双馈风机励磁控制装置，其特征在于，包括风力特性模拟装置、分别与风力特性模拟装置相连的交流励磁发电装置和DSP控制装置，所述的DSP控制装置还连接有一个励磁变压装置，所述的励磁变压装置通过一个激励转换开关与所述交流励磁发电装置相连。
绕线式异步电机：转子为绕线型，通常采用交流励磁方式，通过改变交流励磁电流的频率实现变速恒频运行，其调速范围为同步速±30%，与鼠笼式电机相比有了很大的提高，因此可以较好利用风能，实现额定风速以下的最佳效率运行；转子励磁变换器采用背对背的双SPWM变换器，可以双向传送转差功率，因此变换器的最大工作容量就是最大转差容量，即30%的电机容量，与定子侧全功率变换器容量相比，变换器容量相对较小，体积小，重量轻。交流励磁双馈风力发电系统有高效率，大容量、变换器容量较小等特点，在实际风力发电系统中得到了广泛使用。
在上述的一种双馈风机励磁控制装置，所述的交流励磁发电装置包括一个他励直流发电机以及通过他励直流发电机与所述风力特性模拟装置相连的交流励磁发电机。
在上述的一种双馈风机励磁控制装置，所述DSP控制装置包括一个转子侧DSP控制器以及通过所述转子侧DSP控制器同时与上述他励直流发电机和交流励磁发电机相连的电网侧DSP控制器。
在上述的一种双馈风机励磁控制装置，所述的励磁变压装置包括一个平波电抗以及通过平波电抗与上述电网侧DSP控制器相连的励磁变压器。
在上述的一种双馈风机励磁控制装置，该双馈风机励磁控制装置还包括一个主变压器以及一端通过主变压器与上述交流励磁发电机相连的并网开关，所述并网开关另一端连接有电网。
在上述的一种双馈风机励磁控制装置，上述激励转换开关分别连接有上述交流励磁发电机、励磁变压器以及市电。
一种采用双馈风机励磁控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在静止状态，直流母线的电源有单相整流桥提供,操作者发出电网侧开机指令，如果是它励方式电网侧控制装置会自动将直流母线电压调整至设定值。电网侧控制装置和转子侧控制装置采用的是正弦脉宽调制。若是自并励方式，电网侧控制装置不会调整电压，直流母线的电源仍由柜体内的单相整流桥提供。
步骤2，操作者在步骤2执行后才能对转子侧控制装置发出起励指令，而转子侧控制装置会自动监视机组的转速，只有当机组转速超过同步转速70%时才会自动起励建压（默认起励转速为80%同步转速）。转子侧控制装置的功能是跟踪转子转速使转子侧变频器的输出电压频率为同步频率与转速的差值，从而实现异步发电。此时电网侧和转子侧控制实际上组成了一个交-直-交变频器。如果是自并励方式，在刚建压的3~5秒内，直流母线功率仍由单相整流桥提供，在机端电压达到额定值后，电网侧控制装置会自动将直流母线电压调整到设定值，使单相整流桥不再提供功率。转子侧控制器会一直监视电机转速，一旦转速低于同步战速70%即自动灭磁。
步骤3，操作者在发电机机端建压后即可着手将发电机并入无穷大电网，本装置没有提供并网开关机构，只有并网接口。在并网后机端频率会被无穷大电网保持在同步频率，此时改变转子励磁电压频率可改变电机转速。而电机转速若高于同步频率，则交-直-交变频系统的功率流向将是从转子到电网，低于同步频率则相反，从而实现双馈发电。
因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2. 能够用于模拟变速恒频的交流励磁双馈风力发电机的风力发电系统，供教学和科研使用。
附图说明
图1 为本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种双馈风机励磁控制装置，包括风力特性模拟装置、分别与风力特性模拟装置相连的交流励磁发电装置和DSP控制装置，所述的DSP控制装置还连接有一个励磁变压装置，所述的励磁变压装置通过一个激励转换开关与所述交流励磁发电装置相连。交流励磁双馈风力发电系统主回路结构原理图如图1所示。双馈发电机的定子直接与工频电网相连，而转子则通过能量可以双向流动的背靠背双SPWM变换器（电网侧变换器和转子侧变换器）组成的交直交系统和电网相连。其中，交流励磁双馈风力发电机励磁控制系统如图由背靠背的双SPWM变换器、基于TMS320F2812的励磁控制器和励磁变压器、交流励磁双馈发电机等单元组成。
交流励磁发电装置包括一个他励直流发电机以及通过他励直流发电机与所述风力特性模拟装置相连的交流励磁发电机；DSP控制装置包括一个转子侧DSP控制器以及通过所述转子侧DSP控制器同时与上述他励直流发电机和交流励磁发电机相连的电网侧DSP控制器；励磁变压装置包括一个平波电抗以及通过平波电抗与上述电网侧DSP控制器相连的励磁变压器；该双馈风机励磁控制装置还包括一个主变压器以及一端通过主变压器与上述交流励磁发电机相连的并网开关，所述并网开关另一端连接有电网，激励转换开关分别连接有上述交流励磁发电机、励磁变压器以及市电。
电网侧变换器（频率±15Hz，容量3kVA）的交流端通过励磁变压器与电网相连，直流侧则与转子侧变换器的直流侧并联。电网侧变换器的主要任务是维持变换器直流侧的电压稳定；电网侧变换器采用PQ解耦控制策略，可实现变换器交流侧的PQ四象限运行，在转子亚同步速运行时向转子提供励磁功率和转差功率，在转子超同步速运行时，将转子输出的转差功率传送到电网。还可根据电网对无功功率的需求与电网交换无功功率，但通常为降低变换器容量而运行在单位功率因数状态；其工作原理：频率跟踪网频，相序自动辨识自动适应；SPWM的变频控制采用恒定载波比改变载波周期的方式调频，查表获得每个载波周期中的正弦脉冲宽度值。采用与电网电压同步，改变调制波相对电网电压相位的方法进行调相，以改变有功功率传送方向和大小，维持直流电压稳定在给定水平上。
转子侧变换器（频率50±1Hz，容量3kVA）的直流侧与电网侧变换器的直流侧并联，其交流侧与双馈发电机的转子绕组相连。主要任务是为双馈发电机提供合适幅值和频率的励磁电流，实现发电机机端电压的稳定控制、负责并联运行机组之间无功功率的合理分配，实现最大风能功率追踪等。其工作原理：并网前根据网频和转速自动确定励磁电流频率和相序，跟踪并网相位，跟踪电网电压幅值，为准同步并网创造条件；并网后维持励磁电流频率不变，或由人工调节，或由最大功率追踪功能软件自动调整；定电压（定电流）控制时，根据电压（电流）偏差自动调节输出励磁电流的大小，以维持机端电压（励磁电流）在给定水平上。采用恒定载波周期改变调制波频率的方式调频。
双SPWM变换器的控制器，采用的是当前国际上最先进的32位定点型数字信号处理器（DSP）TMS320F2812，该DSP主频高达150MHz，哈佛总线，流水线结构，运算速度快，精度高，片内资源丰富，功能强大。
励磁变压器主要负责匹配转子电压与定子电压，传递转差功率和提供励磁功率。将励磁变压器并接在发电机机端可构成自并励励磁方式，将其并接在电网上可构成它励励磁方式；
本装置采用Autonics公司生产的10位绝对式光电编码器，以获得准确的转子实际位置信号，实现矢量控制，保证输出电能恒频恒压。准确、可靠的转子位置信号是高性能变速恒频双馈发电系统正常运行的必要条件。
交流励磁双馈发电机采用电力拖动用的绕线式异步电动机，为使其控制性能更加接近同类发电机，将额定电压降额使用（额定电压由380V降为300V），使得电磁特性更加接近实际情况。
操作时，包括以下步骤：
步骤1，在静止状态，直流母线的电源有单相整流桥提供,操作者发出电网侧开机指令，如果是它励方式电网侧控制装置会自动将直流母线电压调整至设定值。电网侧控制装置和转子侧控制装置采用的是正弦脉宽调制。若是自并励方式，电网侧控制装置不会调整电压，直流母线的电源仍由柜体内的单相整流桥提供。
步骤2，操作者在步骤2执行后才能对转子侧控制装置发出起励指令，而转子侧控制装置会自动监视机组的转速，只有当机组转速超过同步转速70%时才会自动起励建压（默认起励转速为80%同步转速）。转子侧控制装置的功能是跟踪转子转速使转子侧变频器的输出电压频率为同步频率与转速的差值，从而实现异步发电。此时电网侧和转子侧控制实际上组成了一个交-直-交变频器。如果是自并励方式，在刚建压的3~5秒内，直流母线功率仍由单相整流桥提供，在机端电压达到额定值后，电网侧控制装置会自动将直流母线电压调整到设定值，使单相整流桥不再提供功率。转子侧控制器会一直监视电机转速，一旦转速低于同步战速70%即自动灭磁。
步骤3，操作者在发电机机端建压后即可着手将发电机并入无穷大电网，本装置没有提供并网开关机构，只有并网接口。在并网后机端频率会被无穷大电网保持在同步频率，此时改变转子励磁电压频率可改变电机转速。而电机转速若高于同步频率，则交-直-交变频系统的功率流向将是从转子到电网，低于同步频率则相反，从而实现双馈发电。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种双馈风机励磁控制装置的控制方法，其特征在于，采用以下装置进行控制：具体包括：风力特性模拟装置、分别与风力特性模拟装置相连的交流励磁发电装置和DSP控制装置，所述的DSP控制装置还连接有一个励磁变压装置，所述的励磁变压装置通过一个激励转换开关与所述交流励磁发电装置相连；所述的交流励磁发电装置包括一个他励直流发电机以及通过他励直流发电机与所述风力特性模拟装置相连的交流励磁发电机；所述DSP控制装置包括一个转子侧DSP控制器以及通过所述转子侧DSP控制器同时与上述他励直流发电机和交流励磁发电机相连的电网侧DSP控制器；所述的励磁变压装置包括一个平波电抗以及通过平波电抗与上述电网侧DSP控制器相连的励磁变压器；该一种双馈风机励磁控制装置还包括一个主变压器以及一端通过主变压器与上述交流励磁发电机相连的并网开关，所述并网开关另一端连接有电网；上述激励转换开关分别连接有上述交流励磁发电机、励磁变压器以及市电；
该双馈风机励磁控制装置的控制方法包括以下步骤：
步骤1，在静止状态，直流母线的电源由单相整流桥提供,操作者发出电网侧开机指令，如果是他励方式，电网侧DSP控制器会自动将直流母线电压调整至设定值,电网侧DSP控制器和转子侧DSP控制器采用的是正弦脉宽调制；若是自并励方式，电网侧DSP控制器不会调整电压，直流母线的电源仍由柜体内的单相整流桥提供；
步骤2，操作者在步骤1执行后才能对转子侧DSP控制器发出起励指令，而转子侧DSP控制器会自动监视机组的转速，只有当机组转速超过同步转速70％时才会自动起励建压；如果是自并励方式，在刚建压的3～5秒内，直流母线功率仍由单相整流桥提供，在机端电压达到额定值后，电网侧DSP控制器会自动将直流母线电压调整到设定值，使单相整流桥不再提供功率；转子侧DSP控制器会一直监视机组转速，一旦转速低于同步转速70％即自动灭磁；
步骤3，操作者在发电机机端建压后即可着手将发电机并入电网，本双馈风机励磁控制装置没有提供并网开关机构，只有并网接口；在并网后机端频率会被无穷大电网保持在同步频率，此时改变转子励磁电压频率可改变机组转速；而机组转速若高于同步频率，则交-直-交变频系统的功率流向将是从转子到电网，低于同步频率则相反，从而实现双馈发电。
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