TW-SW01直驅(qū)型風力并網(wǎng)發(fā)電動態(tài)模擬平臺

一、實驗裝置

    如圖1所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)控裝置、風輪模擬拖動裝置以及永磁同步電機并網(wǎng)發(fā)電裝置三部分組成，主要軟硬件如表2所示。機組額定功率取5kW，這個功率等級基本可以模擬風力發(fā)電機系統(tǒng)的真實情況，具備較好的顯示效果，但又不會對電網(wǎng)有太大的沖擊，對進行試驗的學生來講也較為安全；另外5kW的電機產(chǎn)品在重量、大小等方面都較為合適，電力電子器件的選型較容易。

發(fā)電實驗臺圖

發(fā)電實驗臺圖

1.1 監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置主要由PC機和PLC組成。PLC主要功能是采集實驗平臺各組成單元的各項數(shù)據(jù)（如電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等，電力電子并網(wǎng)接口的電壓、電流等）、啟停并向變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)速指令、向電力電子并網(wǎng)接口電路的DSP控制卡發(fā)出啟停和并網(wǎng)指令、修改實驗平臺參數(shù)等，監(jiān)視整個系統(tǒng)的工況。PC機的主要功能是將PLC采集到的數(shù)據(jù)存儲以及以可視化的方式顯示出來，便于直觀了解系統(tǒng)的工況，另外用戶還可以通過圖形化的使用界面操作整個實驗平臺，比如啟動風輪模擬拖動裝置帶動永磁同步發(fā)電機按某一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動、啟動電力電子接口電力實現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)和脫網(wǎng)等。

圖1直驅(qū)型永磁同步電機風力并網(wǎng)發(fā)電動態(tài)模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構圖

表2 直驅(qū)式實驗系統(tǒng)的主要軟硬件清單

1.2 永磁同步電機并網(wǎng)發(fā)電裝置

如圖2所示，永磁同步電機并網(wǎng)發(fā)電裝置主要由5kW永磁同步發(fā)電機、電力電子并網(wǎng)接口（由不控整流、boost直流升壓電路、并網(wǎng)逆變器以及基于DSP的高性能控制器組成）。主要功能是實現(xiàn)最大風能捕獲、并網(wǎng)發(fā)電運行等。

DSP根據(jù)檢測到的發(fā)電機的電壓和電流信號，經(jīng)過處理后，控制boost升壓電路將盡可能多的電能送至并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器將boost電路輸送的電能變換為高質(zhì)量的三相電能送至電網(wǎng)。

DSP控制器可通過串行通信接收來自PLC的指令改變并網(wǎng)電流的功率因數(shù)、實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電裝置的啟停等?？芍苯优c實驗室中的電力系統(tǒng)并網(wǎng)，不需要其他附件裝置。

實驗室可配置多套變頻器+異步電機+永磁發(fā)電機，共用一套并網(wǎng)電力電子裝置，實驗時錯開實驗內(nèi)容及步驟，最大化的利用實驗資源，提高設備利用率。

圖2 永磁同步電機并網(wǎng)發(fā)電裝置

二、 系統(tǒng)軟件

    本風力發(fā)電系統(tǒng)由永磁同步電機，三相二極管整流電路，升壓斬波電路和電壓逆變電路構成。使用永磁勵磁同步電機可以實現(xiàn)高一些的效率并且簡化功率變換電路。采用結(jié)構簡單，成本低廉的三相二極管整流器，能獲得最大的線電壓，基波功率因素近似為1。發(fā)電機和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡單的直流電機。系統(tǒng)中的直流環(huán)節(jié)采用具有升壓功能的Boost變換器，從前級Boost變換器來看，風力能量的變化主要表現(xiàn)為電流的變化，Boost變換器的輸出端與逆變器的輸入端連接。直流電經(jīng)過直流斬波電路升壓，再通過高功率因數(shù)的逆變器變換后將電能送入電網(wǎng)。采用不可控二極管整流器，由于缺乏勵磁控制，永磁電機產(chǎn)生與電機轉(zhuǎn)軸速度成比例的電動勢，為了得到最佳的空氣動力學上的效率，軸速要根據(jù)風速成正比變化。而永磁電機和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的，因此要通過斬波器或者逆變器控制永磁電機獲得的直流電流來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，從而得到理想的運行速度。

    主電路和控制框圖如圖3所示，為了得到寬的變速范圍，通過三相二極管整流器和IGBT逆變器之間的升壓斬波器，調(diào)節(jié)輸入直流電流以跟從最優(yōu)的參考電流從而跟蹤風力機的最大功率點。連接在電網(wǎng)的PWM逆變器通過調(diào)節(jié)直流連接電壓將電流送入公共電網(wǎng)。在逆變器控制結(jié)構中，采用d-q軸同步參坐標系，通過q軸電流控制有功功率，通過d軸控制無功功率，采用鎖相環(huán)PLL檢測電網(wǎng)電壓相位角。

圖3 功率變換控制結(jié)構圖

    對于三相電網(wǎng)采用單相同步的方法很難準確的實現(xiàn)dq坐標系與電網(wǎng)三相電壓合成矢量的同步，必須綜合三相電壓的相位信息。當電網(wǎng)電壓幅值，即電壓合成矢量Us的幅值不變時，Us的q軸分量Usq反映了d軸與電網(wǎng)電壓Us的相位關系。Usq>0時，d軸滯后Us，應增大同步信號頻率；Usq<0時，d軸超前Us，應減小同步信號頻率；Usq=0時，d軸與Us同相。因此，可通過控制Usq，使Usq=0來實現(xiàn)兩者之間的同相?；谶@一思想,設計了一種采用DSP實現(xiàn)的三相軟件鎖相環(huán)(SPLL)。

圖4所示是三相軟件鎖相環(huán)的結(jié)構框圖，電網(wǎng)電壓經(jīng)坐標變換后得到Usq,經(jīng)過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。用DSP實現(xiàn)時，一般采用DSP內(nèi)部定時器的循環(huán)計數(shù)來產(chǎn)生同步信號、實現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能,因此可通過改變定時器的周期或最大循環(huán)計數(shù)值的方法來改變同步信號的頻率和相位。

圖4三相軟件鎖相環(huán)結(jié)構框圖

    電網(wǎng)電壓和電流的幅值可以通過AD采樣直接得到，而相位的檢測主要有過零檢測和軟件鎖相環(huán)兩種方式。過零檢測方法是使用比較器將分壓后的電網(wǎng)電壓信號與0電平進行比較，比較器輸出的方波信號接到DSP的捕獲管腳，DSP軟件根據(jù)捕獲中斷確定每個電網(wǎng)周期的0度，并在每個控制周期對角度進行相應的累加，以得到電網(wǎng)電壓相位。軟件鎖相環(huán)方法則是首先對采樣的電網(wǎng)電壓進行坐標變換，然后對電網(wǎng)電壓的Q軸分量進行閉環(huán)控制，并在此過程中根據(jù)Q軸分量的控制偏差不斷地對電網(wǎng)電壓相位進行校正。

三、 主要實驗

目前實驗平臺可進行的實驗如表3所示。

表3 直驅(qū)式實驗平臺開設實驗表

3.1 空載特性測試

如圖5所示，通過變頻器驅(qū)動異步電動機改變永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n，測量并描繪出轉(zhuǎn)速n和永磁同步發(fā)電機空載電勢整流輸出電壓Udc之間的關系。

圖5 永磁同步電機空載特性測試

表3 n- Udc 測量記錄

3.2 負載特性測試

如圖6所示，通過變頻器驅(qū)動異步電動機改變永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。固定轉(zhuǎn)速n= ni（i=1,2.3,….）,改變負載可調(diào)電阻R，測量永磁同步發(fā)電機整流輸出電壓Udc和輸出電流I，描繪在轉(zhuǎn)速一定的情況下輸出電流 I-輸出電壓Udc關系曲線以及輸出功率P=UdcI-輸出電流 I關系曲線，確定不同轉(zhuǎn)速下的最大功率點。

圖6 永磁同步電機帶載特性測試

表4 I- Udc 測量記錄

3.3 電力電子接口并網(wǎng)運行實驗

如圖7所示，用市電網(wǎng)接調(diào)壓器模擬交流發(fā)電裝置的交流輸出，或?qū)⑹须娋W(wǎng)、調(diào)壓器結(jié)合整流器視作直流發(fā)電裝置的輸出，測試電力電子接口的性能是否正常，模擬風電機組或其他分布式發(fā)電裝置的并網(wǎng)功能測試和操作實驗。

A、啟動并網(wǎng)和運行測試：并網(wǎng)閘刀K2合上，并網(wǎng)逆變器工作；合上閘刀K1后，啟動直流升壓變頻器投入工作，從電網(wǎng)汲取電能并將它回饋回電網(wǎng)。測量和記錄直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形。改變回饋回電網(wǎng)的功率指令大小，記錄直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓波形等數(shù)據(jù)；通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸入電壓的大小，模擬實際輸入電壓的變化，記錄直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓波形等數(shù)據(jù)。

B、正常停機操作：直流升壓變頻器停止工作，K1打開，然后并網(wǎng)逆變器停止工作，K2打開。測量直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形。并網(wǎng)閘刀并網(wǎng)逆變器工作。

C、異常停機操作：PLC實時檢測直流環(huán)節(jié)及并網(wǎng)環(huán)節(jié)的電壓、電流等數(shù)據(jù)，當超過設定的安全數(shù)值范圍，報警并依次打開K1、K2開關，停止電力電子接口的工作。

圖7人電力電子接口并網(wǎng)運行實驗

3.4 風力發(fā)電機啟動并網(wǎng)和停機實驗

A、啟動并網(wǎng)操作：并網(wǎng)閘刀K2合上，并網(wǎng)逆變器工作；合上閘刀K1后，啟動變頻器驅(qū)動感應電機來拖動永磁同步電機發(fā)電，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于切入轉(zhuǎn)速時，直流升壓變頻器投入工作，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，系統(tǒng)工作在最大功率點上。測量和記錄發(fā)電機轉(zhuǎn)速、直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形。

B、正常停機操作：變頻器驅(qū)動感應電機來拖動永磁同步電機發(fā)電，逐步降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速時，直流升壓變頻器停止工作，K1打開，然后并網(wǎng)逆變器停止工作，K2打開。測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速、直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形。并網(wǎng)閘刀并網(wǎng)逆變器工作。

C、異常停機操作：PLC實時檢測感應電機、永磁同步發(fā)電機、直流環(huán)節(jié)及并網(wǎng)環(huán)節(jié)的電壓、電流等數(shù)據(jù)，當超過設定的安全數(shù)值范圍，報警并打開K2、K1開關，停止變頻器工作。

圖8 永磁同步電機并網(wǎng)運行實驗

3.5 風力發(fā)電機正常運行實驗

風力發(fā)電機已完成并網(wǎng)正常運行，改變永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速，測量記錄發(fā)電機轉(zhuǎn)速、直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形變化、以及并網(wǎng)輸出功率的變化，確認系統(tǒng)工作穩(wěn)態(tài)下始終在最大功率點上，計算并網(wǎng)電流的諧波畸變和功率因數(shù)。

3.6 脫網(wǎng)保護實驗

通過調(diào)壓器降低并網(wǎng)接入點的電壓，但電壓低于設定的值而并網(wǎng)電流過大時，K1打開，然后K2打開，完成脫網(wǎng)，隨后永磁發(fā)電機逐步降低轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)停機。測量記錄發(fā)電機轉(zhuǎn)速、直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形變化、以及并網(wǎng)輸出功率的變化。

圖9 脫網(wǎng)保護實驗

3.7 網(wǎng)側(cè)動態(tài)無功補償實驗

通過PLC檢測并網(wǎng)電流的功率因數(shù)和無功大小，發(fā)出無功補償功率指令，并網(wǎng)逆變器執(zhí)行無功補償指令，測量記錄發(fā)電機轉(zhuǎn)速、直流環(huán)節(jié)電壓、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形變化、以及并網(wǎng)輸出有功和無功功率的變化。

除基本實驗外，實驗室還可以進一步開發(fā)以下實驗，供演示或者驗證。

?風速與輸出功率特性實驗

?風能最大功率捕獲驗證實驗

?系統(tǒng)控制編程實驗

?網(wǎng)絡功能遠程控制實驗

?I/O控制實驗等