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1、风力发电数字控制平台研究1. 技术背景能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速地增长，迅速推动了世界工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量非常有限。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，致使能源危机成为阻碍人类进一步发展的障碍。据估计，煤炭还可以持续328年，石油还可以维持46年，天然气还可以维持56年，天然铀原料还可以维持63年。能源危机的重要表现是能源价格的不断上涨和电力紧张。 另外大量非可再生能源的消耗致使环境恶化，气候变暖。能源危机与环境恶化是人类所面临的两大难题
2、，它们相互矛盾又相互关联的。如何解决这两大矛盾，利用科技手段开发可再生能源。太阳能、风能是可再生的洁净绿色能源，它们不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用之不竭。 风力发电作为一个重要的可再生能源获得了很大的发展，随着技术水平的提高和市场不断扩大，风力发电增长迅速。单机容量不断扩大，国外有实力的企业在开发35MW机组，目前兆瓦机组已经商业化。据欧洲风能协会（Europe Wind Energy Association）和美国风能协会(America Wind Energy Association)的统计，截至2003年底止，全世界风电装机容量已达到39.294GW，其中2003年新装机容量为8.
3、133GW，比上一年度增长26 预计在下一个20年内会继续保持两位数的增长势头。欧洲和美国继续主导新增市场份额，尽管市场占有率比上一年的93下降了3个百分点。在欧美以外印度的新增装机达到408MW，遥遥领先于其它国家。EWEA预计，2010年欧洲的风电装机容量将从2003年的28.4GW增加到75GW，到2020年将达到180GW，能够满足欧洲半数以上人的用电需求。在我国，一次能源结构中的主导地位决定了在电力生产中的以煤电为主的格局。从1996年起国家计委启动了发展大型风电的“乘风计划”和发展小型风电的“光明工程”。目前，我国50200W的微型风力发电机组技术已经成熟，并投入批量生产。120K
4、W小型风力发电机组也研制成功，达到了小批量生产阶段。对于中大型风力发电机组截止到2003年底，我国在风能资源丰富的I4个省、市、自治 已建成风电场40余个累计运行风力发电机组1042台 总容量达56702MW(以完成整机吊装作为统计依据)。但在所安装的机组中，原装进口机(除塔架外)占90以上，其余部分主要是与国外厂商合作合资生产的机组完全由国内研制生产的机组数量极少 由于进口设备价格较高，致使我国的风力发电产业发展受到严重影响，这一现实与国家要求进一步降低风电电价形成矛盾。除此之外，进口设备对中国气候条件的不适应以及大量损坏部件得不到及时维修和更换等课题进一步阻碍了中国风电产业的健康发展，因此
5、发展我国大功率风力发电机组国产化是很必要的。2. 风力发电关键技术研究现状 2.1 风力发电系统拓朴结构风力发电机组并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率一致。保持发电机输出频率恒定的方法有两种： 恒速恒频，采取失速调节或者主动失速调节的风力发电机，以恒速运行时，主要采用异步感应发电机。 变速恒频，采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。概括起来风机技术可以分为三类：无电力电子功率变换的系统 电力电子功率变换电路处理部分风机能量的系统 电力电子全功率变换系统。 图1是无电力电子功率变换的系统图示：图1 无功率变换装置Fig. 1. Wind turbine sy
6、stems without power converter but with aerodynamic power control: (a) pitch controlled, (b) stall controlled, and (c) active stall controlled.感应电动机不随转矩而改变，几乎保持固定的速度在12的范围变化。功率是以失速，主动失速和叶片倾角控制限制的，通常使用一个软启动装置，为的消除启动时的启动电流。这种情况下需要一个无功补偿器消除风力发电机所需的无功，通常由电容虑波实现。这种结构由于低成本和高可靠性很有吸引力。非全功率的电力电子风力发电系统，能得到比上面更
7、高的性能，下图是这种结构的配置图2 部分功率变换系统Fig. 2. Wind turbine topologies with partially rated power electronics:(a) rotor-resistance converter and (b) doubly fed induction generator.图2（a）所示的风力发电系统的发电机是绕线转子的感应电动机，一个由电力电子控制的阻抗串联在转子绕组中，使电机的转速可调范围在24%之间。转子阻抗控制功率变换器具有低电压大电流的特性，同时，获得一个保持输出功率固定的一个控制自由度，这种方案同样需要软启动器和无功补偿器
8、。图2（b）方案使用一个中等功率变换器，功率变换器通过一个滑环控制转子电流。如果发电机运行在超同步，电气功率通过电机定子和转子发出，如果发电机运行在亚同步，电功率通过电网提供给转子。30%额定功率的功率变换器可以达到围绕同步速的60%的速度变化范围。进一步说，电力电子功率变换器的功率可以更高，根据要求的故障容量限制和无功的控制能力，可以提高电网的电能质量。这种方案和经典结构比有些昂贵，然而，可以节约齿轮调速装置，同时具有无功补偿和发出的能力，并且可以捕捉更大的风能。是连接在电网和发电机间的全功率变换器，这种结构会在功率变换电路中增加额外的损耗，但是将获取技术性能的提高，下图所示了全功率变换器的
9、拓朴结构 图3 全功率变换器Fig.3 Wind turbine systems with full-scale power converters with active and reactive power control: (a) induction generator with gear, (b) synchronous generator with gear, (c) multipole synchronous generator, and (d) multipole permanent magnet synchronous generator.a和b拓朴结构中有齿轮，图3(b)中需要
10、一个小的功率变换器控制同步发电机的励磁图3(c) ，近年来低速永磁多极同步电机应用日益广泛，以其小尺寸，省略易损的齿轮箱，可靠性高，全风速范围变换日益得到重视，MW级机组已开始广泛应用。应用于风力发电电力电子变流器有五种典型电气拓扑结构：l 背靠背式电压源逆变器l 矩阵式电压源变流器l 多电平式电压源变流器l 交交变换器2.2调制技术2.2.2 两电变流器调制策略PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制。 这里相当于基波分量的信号波并不一定是指正弦波，在PWM调制中可以是预畸变的信号波。目前的PWM的实现方式主要有正弦PWM
11、 (SPWM)、准最优PWM、开关损耗最小PWM、电压空间矢量SVPWM ( Space Vector PWM)、选择谐波消去法SHE的SPWM等。三相SPWM。正弦PWM (SPWM)是变流器基本的PWM调制方式，它的缺点是，即输出电压不够高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的倍，在同等的开关频率下，它的开关损耗较大。 准最优PWM准最优PWM也称三相马鞍形PWM，它与正弦波PWM的不同仅在于调制信号，它是在正弦波信号上叠加一个三次波，使之成为鞍形波。这种PWM变流器的特点是: 输出电压较高，较正弦PWM方式直流电压利用率高15，最大调制度M可达0.907 基波频域不存在谐波，即不存在低次谐
12、波干扰。 开关频率与载波频率相同。 仍然为相电压控制方式。 电压空间矢量（SVPWM）电压空间矢量(voltage space-vector)是80年代中期国外学者在交流电机调速中提出，由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概念清晰，算法简单且适合数字化方案。其思路是把互差120度作正弦变化的三相电压看作由一个在空间进行旋转的矢量分解而成，此方法可以把直流利用率m提高到1.1547，因其含有零序分量使直流利用率提高。开关损耗最小PWM也叫两相马鞍形PWM，它的方法是使输出的线电压保持在正弦的条件下，使调制波畸变。这种调制称为线电压调制法。它的优点是开关损耗低，与相电压调制法相比，可以使开关损耗降
13、低1/3，它的输出电压也较高，直流利用率提高15%。2.2.3 多电平调制策略 载波调制方法(carrier-based modulation)载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。载波调制按其采样方法可分为：自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。规则采样又分对称和不对称采样。在载波调制中，对于m电平变流器，常定义幅度调制比和频率调制比分别为： 其中 为载波峰峰值， 为载波频率，为调制波峰值，为调制波频率多电平载波调制由于载波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度1）子谐波脉宽调
14、SHPWM(SubHarmonic PWM)由Carrara提出的SHPWM的基本原理是：对m电平变流器，将m一1个具有相同频率和峰峰值 的三角载波集连续分布。频率为、幅值为 的正弦调制波置于载波集的中间。将调制波与各载波信号进行比较，得到变流器的开关状态。在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案：(1)PD一所有载波具有相同相位。(2)POD一正、负载波间相位相反。(3)APOD一相邻载波间相位相反。SHPWM的最大线性幅度调制比为1。对SHPWM 的研究有如下一些重要结论 对于三相系统，频率比应为取3的倍数。 单相变流器，APOD配置电压谐波最小。 三相变流器，P D配
15、置线电压谐波最小。2）开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switchinq F requency 0ptimal PWM) 由Steinke提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)3）载波相移脉宽调CPSPWM(Carrier Phase Shifting PWM)CPSPWM的基本原理是：多电平变流器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比、频率调制比，但各单元模块的载波间存在一定的相位差，变流器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，使其等效开关频率提高。各单元模块调制方法可以采用单极性、双极性
16、、单极倍频SPWM调制，研究表明，单元模块采用单极倍频SPWM调制时，可获得最小谐波输出电压，这时单元模块两臂的调制信号相位相反，且载波间相位差 =丌n(n为级联单元数)。从控制自由度的角度来看，多电平载波调制方法的变化很多。在载波方面，存在载波类型、幅值、频率、相位、偏移量以及载波间相位关系等自由度；在调制波方面，也存在调制波类型、幅值、频率、是否叠加零序分量以及多相系统中调制波间的相位关系等自由度；还有载波和调制波相互间的相位等自由度。通过这些自由度的选择可以产生各种适合于特定拓扑结构、实现特定控制目标的载波调制方法。例如，Hammond采用故障单元旁路和中性点平移技术，可以采用不对称三相
17、载波调制实现。空间矢量调制SVH(Space Vector Modulation)空间矢量调制具有线性调制范围宽，直流电压利用率高，无须大量的存储空间，结构简单，控制方便，易于数字实现等优点，所以得到广泛的研究和应用。波形逼近方法(waveform approximation modu1at1on)波形逼近方法是利用一系列宽度可调的正负脉冲按照某种优化准则进行叠加，逼近参考波方法。常用的优化准则有： 选择性谐波消除。 总谐波失真最小。 总谐波电流最小等。其中选择性谐波消除最为常用，对应的方法常称为选择性谐波消除脉宽调制SHEPWM。根据叠加方式的不同，波形逼近方法主要有如下几种。 阶梯波形脉宽
18、调制。 分区逼近方法。 虚拟级数脉宽调制VSPWM(Virtual Stage PWM)。无论采用上述何种方法，必须事先通过求解一组超越方程，确定切换角等，应用时采用查表或和插值等方法获得开关切换时间。在具体解方程组时可以采用数值方法，如Newton Raphson迭代方法和解析方法，如多项式余数理论。采用数值解法存在初值确定的问题，采用解析方法存在解的存在及唯一问题。2.3 数字控制技术变流器的数字控制具有以下优点： 易于采用先进的控制方法和控制策略使得逆变电源智能化程度更高性能更优 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改算法而不必改变硬件电路 控制系统的可靠性提高易于标准化，可以针对不同
19、的系统（或不同的产品型号），采用统一的控制板，只是对软件作一些调整即可。 系统维护方便，一旦出现故障可以方便的通过通信接口调试，故障查询，历史纪录查询，故障诊断、软件修复、甚至控制参数的在线修改、调试。也可以通过远程操作 系统的一致性好，成本低、生产制造方便，由于采用控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降 易于组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯）,从而
20、实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统1) PID控制 PID控制以其简单、参数易于整定等特点，广泛应用于工程实践之中。早期的变流器的控制，多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，采用模拟PID控制器进行调节，其性能特别是动态性能及负载为非线性的时候，不会令人满意，为此，进行了大量的研究，并把输出电感电流及输出滤波电容电流的瞬时值引入了控制系统，使得逆变电源的输出性能得到了较大的改进。然而，庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降，调试复杂。不易于整定。DSP的出现，这个问题迅速解决如今各种补偿措施已经方便地应用于逆变电源的数字PID控制之中，电压、电流控制的引入，使得逆变电
21、源的数字P1D控制的效果得以改善。针对传统数字PID控制存在的一些问题，智能控制的思路也引入P1D控制之中，并在逆变电源的控制中得以应用；同时，其它控制策略也不断地引入其中，使古老的PID控制仍充满活力。2) 无差拍控制(deadbeat control)无差拍控制是一种基于微机实现的PWM 方案。它根据变流器系统的状态方程和输出反馈信号来计算变流器的下一个采样周期的脉冲宽度。无差拍控制有着非常快的暂态响应，当负载突然变化时，只要几个开关周期就可以调整输出电压。输出能够很好地跟踪给定值；波形的畸变率小即使开关频率不是很高，无差拍控制也能够得到较好的输出波形品质；无差拍控制能够使得输出电压的相位
22、与负载关系不大，它通过调节逆变桥的输出相位来补偿LC滤波器的相位延时。但是无差拍控制的自身缺点也十分明显： 无差拍控制系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化； 系统的误差与调制比输出的LC等有关； 瞬态超调量较大。为了克服无差拍控制的缺点，在无差拍控制之中引入智能控制的思想，如模糊控制、神经网络控制等，仍是今天的研究热点。3) 滑模变结构控制(Sliding-Mode Variable Structure Contro1)滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其固有的开关特性
23、，特月 适用于电力电子的闭环控制之中。早期的逆变电源的滑模变结构控制多采用模拟控制技术 这存在控制硬件电路特别复杂、控制功能有限的弱点。徽处理器的应用能够减小滑模变结构控制器的复杂性，但是连续滑模控制器的设计方法不能够直接用于离散滑模控制器的设计。微处理器的离散采样可能会导致系统的震动或系统的不稳定。所以，这就需要离散滑模控制技术。它完全不同于常规的连续滑模控制理论。适合于微处理器实现的离散滑模控制能够使逆变电源输出波形有较好的暂态响应。但是系统的稳态性能却不够理想。有文献在离散滑模控制的基础上引入了前馈控制策略。以便在系统的鲁棒性不受影响前提下，改善系统的稳态性能，这样控制系统的暂态性能和稳
24、态精度都能够得到提高。但是，当负载超出正常值后，精模控制器的负担将会变得非常重。在此基础上发展了自矫正离散滑模控制，逆变电源的控制器由可通过参数自适应调整机构调整的线性前馈控制器和非线性滑模控制器组成，滑模控制器仅在负载变化导致输出电匪发生变化时才产生控制力。稳态状态的控制力主要由前馈控制器提供。滑模控制器的切换面(超平面)是根据优化准则进行设计的，以致被控变流器的行为能够依照选择的价值函数进行优化；负载干扰的影响已经考虑在滑模控制器的设计之中。滑模控制有着明显的优点：快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效果不佳、理想精模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。如今逆变电源的滑模控制的
25、研究方兴未艾，特别是滑模控制和其它智能控制策略相结合形成新的集成控制策略，更是一条有意义的探索之路。4) 模糊控制(fuzzy Contro1) 复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效地对复杂事物做出判断和处理，近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。对于高性能的逆变电源的设计，模糊控制器有着以下优点： 模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型模糊控制器有着较强的鲁捧性和自适应性； 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间，因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差
26、。采用输出电压和电感电流反馈，即把电压误差和电感电流作为输入模糊变量，实现了逆变电源的模糊控制，在整流性负载的状态下，系统能够保证输出的THD小于5。将模糊控制与无差拍控制相结合，模糊控制用来补偿由于非线性负载导致的电压跌落其原理框图如图4所示。模糊控制属于智能控制的范畴。与传统的控制方式相比智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学摸型；模糊控制从模仿人的思维外特性人手，模仿人的模糊信息处理能力。理论上已经证明模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制的精度有待于
27、进一步提高。模糊逻辑、神经网络和专家系统出现融合的趋势，展示了模糊逻辑、神经网络和专家系统相辅相成、优势互补的强大生命力。采用神经网络确定隶属函数，记忆模糊规则和进行模糊推理等研究已取得一定的成果，各种模糊神经网络的拓扑结构和算法不断涌现，模糊逻辑和专家系统结合，可充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力。可见未来模糊控制必将成为逆变电源的核心控制技术之一。5) 重复控制(Repetitive Control)重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理 ，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。逆变电源的重复控制的主要目的是为了克服整流型
28、负载引起的输出波形周期性的畸变=重复控制一般和其它PWM控制方式相结合，用来改善输出电压波形，重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中将出现的重复性畸变重复控制能够使得系统获得很好的静态性能，易于实现但该技术却不能够获得好的动态性能。6）神经网络控制基于神经网络的控制称为神经网络控制，简称神经控制，是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或者优化计算，或进行推理，或故障诊
29、断等，以及同时兼有上述功能的适应组合，将这样的系统称为基于神经网络的控制系统，称这种控制方式为神经网络控制。传统的基于模型的控制方式，是根据被控对象的数学模型及对控制系统要求的性能指标来设计控制器，并对控制规律加以数学解析描述；模糊控制是基于专家经验和领域知识总结出若干条模糊控制规则，构成描述具有不确定性的复杂对象的模糊关系，通过被控系统输出误差及误差变化和模糊关系的推理合成获得控制量，从而对系统进行控制。这两种控制方式都具有显式表达知识的特点，而神经网络不善于显式表达知识，但是它具有很强的逼近非线性函数的能力，即非线性映射能力。把神经网络用于控制正是利用它的这个独特优点。神经网络控制在控制中
30、的作用可以分为以下几种： 在基于精确模型的各种控制结构中充当对象的模型； 在反馈控制系统中直接充当控制器的作用； 在传统控制系统中起优化计算作用；在与其它智能控制方法和优化算法，如模糊控制、专家控制及遗传算法等相融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模型及故障诊断等。根据神经网络在控制中的作用，人们研究设计了各种结构的控制器，比如直接逆动态控制、模型参考控制、内模控制、预测控制、系统辨识等，并在各个领域得到了广泛应用。神经网络在变流器控制方面的应用研究较多，而且大多采用 BP 神经网络结构。在线调节来稳定变流器输出电压，用 BP 神经网络计算最优开关角消除谐波的控制方案，并在 DSP
31、 中实现等等。然而神经控制也存在一些不足： 神经网络学习算法复杂，计算量大，学习效率低，网络收敛速度慢，很难适用于对实时性要求较高的系统的在线学习控制，因此目前大部分实时控制应用都是采用离线学习好控制器，然后再在线控制的方案； 网络结构设计凭经验和试凑，没有完善理论指导； 网络结构参数没有实际的物理意义，系统性能分析困难。7）遗传算法遗传算法借鉴生物进化中自然选择这一法则，用于解决科学研究和工程实际所遇到的各种搜索和优化问题。遗传算法是一种基于自然选择和遗传变异等生物进化机制的全局性随机化搜索算法。与基于导数的解析方法和其他启发式搜索方法(如爬山方法，模拟退火方法，MonteCarlo 方法)
32、一样，遗传算法在形式上也是一种迭代方法。它从选定的初始解出发通过不断迭代逐步改进当前的解，直至最后搜索到最优解；在遗传计算中，迭代计算过程采用了模拟生物体的进化机制，从一组解(群体)出发，采用类似于自然选择和有性繁殖的方式在继承原有优良基因的基础上，生成具有更好性能指标的下一代解的群体。与其他搜索技术（如梯度搜索技术、随机搜索技术、启发式搜索技术和枚举技术等）相比，遗传算法具有以下特点： 遗传算法的搜索过程是从一群初始点开始搜索，而不是从单一的初始点开始搜索，这种机制意味着搜索过程可以有效地跳出局部极值点。特别是当采用有效的保证群体多样性的措施时，遗传算法可以很好地将局部搜索和全局搜索协调起来
33、，既可以完成极值点邻域内解的求精，也可以在整个问题空间实施探索，得到问题全局最优解的概率大大提高了； 遗传算法在搜索过程中使用的是基于目标函数值的评价信息，而不是传统方法主要采用的目标函数的导数信息或待求解问题领域内知识。遗传算法的这一特点使其成为具有良好普适性和可规模化的优化方法； 遗传算法具有显著的隐式并行性，搜索效率高。遗传算法虽然在每一代只对有限解个体进行操作，但处理的信息量为群体规模的高次方； 遗传算法在形式上简单明了，不仅便于与其他方法相结合，而且非常适合于大规模并行计算机运算，因此可以有效地用于解决复杂的适应性系统模拟和优化问题； 遗传算法具有很强的鲁体性，即在存在噪声的情况下，
34、对同一问题的遗传算法的多次求解中得到的结果是相似的。 基于以上特点，遗传算法在控制器的优化设计领域得到了广泛的研究和应用。遗传算法是一种随机全局搜索算法，为了求得问题的最优解，其搜索出的每个解空间的点均要代入实际问题计算适应度，因此难于应用于在线控制场合，一般用来对控制器做离线优化设计和对神经网络进行离线训练。2.4 总结上面从风力发电系统拓扑，变流器结构，调制策略，控制策略等各个方面对风力发电系统及其变流器设计的研究现状给与了总结。基于以上分析，为了提高开发效率，和研究具有自主知识产权的产品迫切需要一个具有一定通用性的实验平台，对不同的发电拓扑结构和控制方法进行前期设计验证是迫切需要的。试验
35、平台的设计要充分系统的需求，主要有以下几点：l 大功率高电压需要多器件串并联，多电平，矩阵变换器等对PWM通道的需求l 智能控制算法对控制器性能的需要l 系统的高可靠性l 操作的可视化显然传统的采用单芯片的控制器的实验平台不能满足上面的需要。需要开发一套高性能的实验平台。下面将基于本试验室现有的技术储备，以大功率永磁直驱风力发电为研究背景依托，开发高性能的风力发电试验平台。3. 实施方案本系统拟采用如下方案构建变速恒频风力发电系统开发平台。系统主要由如下几部分构成l 风力机模拟部分l 变流器主电路部分l 风力发电机部分l 变压器l 数字控制平台其中数字控制平台为了满足不同主电路拓扑和智能控制算
36、法的需求，数字控制平台由如下构成：l 双DSP控制板l 模拟信号采样板l PWM分配板l IGBT驱动板l 通讯结口l 人机接口模块下面是此试验平台的基本构架图4系统框图A 风轮机模拟部分风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能，所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出，而且直接影响机组的安全稳定运行。其中：空气密度 A ：页面扫过得面积 ：风能捕获系数 v： 风速在风速一定的条件下的最大值决定了最大捕获的风能，事实上和叶尖速比TSR成图曲线关系如图所示图5 风能利用系数曲线从上式可以
37、看出当风速一定时如果要得到一个最佳的有一个最佳的得到最大功率，只要控制电机在这个风速下的最佳转速就能获得最大输出功率。下图是不同风速的输出最大功率对应的转速曲线图6 功率转速曲线由于直流电机有着优良的简单调速性能，本平台拟采用直流电机模拟风轮机的特性，具体配置方案如下图图7 直流电机模拟风力机直流电动机输出机械功率可写为 从该式可见，若磁通不变(保持励磁电流不变)，此时,均为常数，只要确定一组Pm，n值，就可确定出对应的电机绕组端电压U值。通过改变不同的端电压U值，就可以使电机运行在上图曲线中的任一点上，从而模拟出任何风力机特性曲线。B 变流器主电路部分.此部分是风力发电功率变换的主要部分，主
38、电路扑结构可以根据所研究的风力发电系统的配置。本开发平台以4个载波移相并联的三相半桥拓扑分别构成机侧和网侧变流器，主电路滤波采用LCL滤波器下图是基本结构图8 系统配置图机侧变流器网侧变流器图9主电路结构此种结构可以研究大功率直趋风力发电机变流器结构和控制，对大功率原型机的制造积累经验。C 风力发电机风力发电机可以根掘研究系统选择，双馈电机，永磁同步电机，绕线同步电机，异步电机等。根据实际需要配置，本平台以永磁直驱来构建，采用低速多极永磁同步电机为发电机，电机输出频率范围815Hz。额定电压690V，额定功率20KwD变压器 在并网型风力发电系统中，风力发电系统需要与电网隔离，减小电网故障和风
39、力发电系统故障时保证系统和电网的安全，需要一个变压器并入电网，并且在本试验平台需要将690V电变成380V馈入电网，需要一台690V/380V，额定功率30kw的原副边隔离的变压器。D 数字控制平台数字控制平台作为整个系统的核心要满足不同系统拓扑的要求主要有以下几点l 不同的主电路拓扑对任意路PWM波形发生模块的要求l 系统的可扩展性l 系统的保护功能完善l 足够的数据处理能力实现复杂算法l 满足通用的灵活性l 操作的便捷并可视化基于以上分析在本规划方案中对数字控制平台作了如下设计l PWM分配板l 模拟信号采样板l 双DSP控制板l 通讯结口l 人机接口模块l IGBT驱动板下面对上面各个模
40、块做具体定义l 双DSP模块。本平台规划使用两块TMS320LF2812芯片做为核心处理器，TMS320LF2812是一种高速32数字信号处理器，时钟频率达到150MHz，其中集成了两个事件管理器，16通道，12位的A/D变换器，可以满足电机变流器控制的需要。为了满足高精度，高采样率系统的要求，此DSP处理板集成了16位高精度ADC处理模块。为满足多种功率变换拓扑结构的需要，例如多电平，矩阵变换器等，DSP器件具有的12路PWM通道显然是不够用的，需要扩展PWM通道数。本平台使用Altera公司的cyclone 20万门的可编程逻辑器件作为PWM的通道扩展，可以根据实际需要配置成上百路PWM输
41、出通道。并且把两个DSP的数据线地址线连接到FPGA，可以把FPGA作为协处理器来使用，FPGA可以完成并行数据处理运算，实现复杂的算法，加强了系统的运算能力。也可以把FPGA设置成双口RAM实现两个DSP间的数据交换，两个DSP可以一个作为主处理芯片，另一个作为从处理芯片。此DSP板结构图如下。图10 DSP结构配置图图11 数字控制平台板图下面对任意路PWM信号产生在FPGA上的实现作具体分析，图12是一路PWM发生模块的原理图，图13示在FPGA上的实现方案，利用图14可以构建任意路PWM信号，图是仿真验证波形。图12 PWM发生模块软核框图图13 PWM发生模块软核图13 PWM发生模
42、块软核仿真模拟信号采样板 在实时控制中，许多电量需要传感器检测，并被A/D采样作为控制使用，DSP A/D或者外置A/D都需要把传感器采样信号变换成固定的电平范围才能采样，需要电平转换，并且传感器输出信号有很多干扰，需要进行滤波处理。采样板关系到信号的精度，需要精心设计。图14 模拟信号采样流程PWM分配板 核心板的输出控制信号需要增加驱动能力才能驱动开关器件动作，PWM板用来增强信号的驱动能力，此部分为了提高抗干扰能力，需要和主电路IGBT隔离，在干扰严重时用光纤传输控制信号。IGBT驱动板 开关器件需要一定的驱动能力才能动作，因此PWM驱动信号需要增大电流输出能力，此部分功能由驱动板完成。
43、通讯结口 核心处理板设置了串行通信，CAN通讯，enthnet以太网结构，实现和微机及其他设备的通讯。方便用户采集数据和更改系统配置人机接口模块人机接口模块是本试验平台的可视化和友好操作部分，此部分包括键盘操作，液晶显示。方便使用者更改系统参数，实时检测系统状态。4. 当前技术储备本课题组正在开发永磁直驱风力发电系统，完成了大部分设计工作，数字平台设计完成，2MW主电路原形机即将完成。在风力发电方面积累了丰富的技术经验，以此为依托构建一个更通用化的风力发电平台有了充分的技术基础，为当前风力发电提供一个实用的试验平台，提高可再生能源的研发效率5. 方案规划2007-05 2007-082007-
44、102007-126参考文献1. Bimal K. Bose. Energy, environment, and advances in power electronicsJ. IEEE Trans. Power Electronics, 2000, Vo1.15, No.4, pp 688-7012. Rene Spee, Shibashis Bhowmik and Johan H.R. Enslin, Adaptive control strategies forvariable-speed doubly fed wind power generation system, Proceedi
45、ng of 1994 IEEE industry Application Society Annual Meeting, 29 IAS, pp. 545-552, 19943. Spee, Shibashis Bhowmik and Johan H.R. Enslin, Novel control doubly fed wind power generation system, Renewable Energy, Vol. 2 strategies for variable-speed No. 6, pp. 551-562, 19924. Shibashis Bhowmik, Rene Spe
46、e, and Johan H.R. Enslin, Performance optimization for doubly fed wind power generation systems, IEEE 949-958, 1999 .on Industry Applications, Vol. 35, No. 4, pp.5. Shibashis Bhowmik, Performance optimization of doubly-fed generation systems, Ph.D. dissertation, Dep. Elect. Eng., Oregon State Univ., Corvallis, 19976. Mitsutoshi Yamamoto and Osamu Motoyoshi, Active and reactive power control for doubly-fed wound rotor induction generator, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 6, No. 4, pp. 624-629, 19977. L. Zhang, and C.Watthanasarn, A matrix con