TW-SW01直驅(qū)型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)

一、實(shí)驗(yàn)裝置

    如圖1所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)控裝置、風(fēng)輪模擬拖動(dòng)裝置以及永磁同步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電裝置三部分組成，主要軟硬件如表2所示。機(jī)組額定功率取5kW，這個(gè)功率等級(jí)基本可以模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)情況，具備較好的顯示效果，但又不會(huì)對(duì)電網(wǎng)有太大的沖擊，對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)的學(xué)生來(lái)講也較為安全；另外5kW的電機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)圖

發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖

1.1 監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置主要由PC機(jī)和PLC組成。PLC主要功能是采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各組成單元的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（如電機(jī)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)等，監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的工況。PC機(jī)的主要功能是將PLC采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及以可視化的方式顯示出來(lái)，便于直觀了解系統(tǒng)的工況，另外用戶還可以通過(guò)圖形化的使用界面操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比如啟動(dòng)風(fēng)輪模擬拖動(dòng)裝置帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)按某一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)、啟動(dòng)電力電子接口電力實(shí)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(jī)風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 直驅(qū)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要軟硬件清單

1.2 永磁同步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電裝置

如圖2所示，永磁同步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電裝置主要由5kW永磁同步發(fā)電機(jī)、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(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲、并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行等。

DSP根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)串行通信接收來(lái)自PLC的指令改變并網(wǎng)電流的功率因數(shù)、實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電裝置的啟停等。可直接與實(shí)驗(yàn)室中的電力系統(tǒng)并網(wǎng)，不需要其他附件裝置。

實(shí)驗(yàn)室可配置多套變頻器+異步電機(jī)+永磁發(fā)電機(jī)，共用一套并網(wǎng)電力電子裝置，實(shí)驗(yàn)時(shí)錯(cuò)開(kāi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟，最大化的利用實(shí)驗(yàn)資源，提高設(shè)備利用率。

圖2 永磁同步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電裝置

二、 系統(tǒng)軟件

    本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)，三相二極管整流電路，升壓斬波電路和電壓逆變電路構(gòu)成。使用永磁勵(lì)磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高一些的效率并且簡(jiǎn)化功率變換電路。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)和二極管整流器結(jié)合在一起如同一簡(jiǎn)單的直流電機(jī)。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(jí)Boost變換器來(lái)看，風(fēng)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(guò)直流斬波電路升壓，再通過(guò)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(lì)磁控制，永磁電機(jī)產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)軸速度成比例的電動(dòng)勢(shì)，為了得到最佳的空氣動(dòng)力學(xué)上的效率，軸速要根據(jù)風(fēng)速成正比變化。而永磁電機(jī)和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的，因此要通過(guò)斬波器或者逆變器控制永磁電機(jī)獲得的直流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，從而得到理想的運(yùn)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(guò)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(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)。連接在電網(wǎng)的PWM逆變器通過(guò)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(gòu)中，采用d-q軸同步參坐標(biāo)系，通過(guò)q軸電流控制有功功率，通過(guò)d軸控制無(wú)功功率，采用鎖相環(huán)PLL檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位角。

圖3 功率變換控制結(jié)構(gòu)圖

    對(duì)于三相電網(wǎng)采用單相同步的方法很難準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)dq坐標(biāo)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(dāng)電網(wǎng)電壓幅值，即電壓合成矢量Us的幅值不變時(shí)，Us的q軸分量Usq反映了d軸與電網(wǎng)電壓Us的相位關(guān)系。Usq>0時(shí)，d軸滯后Us，應(yīng)增大同步信號(hào)頻率；Usq<0時(shí)，d軸超前Us，應(yīng)減小同步信號(hào)頻率；Usq=0時(shí)，d軸與Us同相。因此，可通過(guò)控制Usq，使Usq=0來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的同相?；谶@一思想,設(shè)計(jì)了一種采用DSP實(shí)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(gòu)框圖，電網(wǎng)電壓經(jīng)坐標(biāo)變換后得到Usq,經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般采用DSP內(nèi)部定時(shí)器的循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生同步信號(hào)、實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能,因此可通過(guò)改變定時(shí)器的周期或最大循環(huán)計(jì)數(shù)值的方法來(lái)改變同步信號(hào)的頻率和相位。

圖4三相軟件鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

    電網(wǎng)電壓和電流的幅值可以通過(guò)AD采樣直接得到，而相位的檢測(cè)主要有過(guò)零檢測(cè)和軟件鎖相環(huán)兩種方式。過(guò)零檢測(cè)方法是使用比較器將分壓后的電網(wǎng)電壓信號(hào)與0電平進(jìn)行比較，比較器輸出的方波信號(hào)接到DSP的捕獲管腳，DSP軟件根據(jù)捕獲中斷確定每個(gè)電網(wǎng)周期的0度，并在每個(gè)控制周期對(duì)角度進(jìn)行相應(yīng)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(duì)采樣的電網(wǎng)電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后對(duì)電網(wǎng)電壓的Q軸分量進(jìn)行閉環(huán)控制，并在此過(guò)程中根據(jù)Q軸分量的控制偏差不斷地對(duì)電網(wǎng)電壓相位進(jìn)行校正。

三、 主要實(shí)驗(yàn)

目前實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)如表3所示。

表3 直驅(qū)式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)表

3.1 空載特性測(cè)試

如圖5所示，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)改變永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，測(cè)量并描繪出轉(zhuǎn)速n和永磁同步發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)整流輸出電壓Udc之間的關(guān)系。

圖5 永磁同步電機(jī)空載特性測(cè)試

表3 n- Udc 測(cè)量記錄

3.2 負(fù)載特性測(cè)試

如圖6所示，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)改變永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。固定轉(zhuǎn)速n= ni（i=1,2.3,….）,改變負(fù)載可調(diào)電阻R，測(cè)量永磁同步發(fā)電機(jī)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(guān)系曲線以及輸出功率P=UdcI-輸出電流 I關(guān)系曲線，確定不同轉(zhuǎn)速下的最大功率點(diǎn)。

圖6 永磁同步電機(jī)帶載特性測(cè)試

表4 I- Udc 測(cè)量記錄

3.3 電力電子接口并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

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(cè)試電力電子接口的性能是否正常，模擬風(fēng)電機(jī)組或其他分布式發(fā)電裝置的并網(wǎng)功能測(cè)試和操作實(shí)驗(yàn)。

A、啟動(dòng)并網(wǎng)和運(yùn)行測(cè)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(dòng)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(cè)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(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變輸入電壓的大小，模擬實(shí)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(jī)操作：直流升壓變頻器停止工作，K1打開(kāi)，然后并網(wǎng)逆變器停止工作，K2打開(kāi)。測(cè)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(jī)操作：PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)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(dāng)超過(guò)設(shè)定的安全數(shù)值范圍，報(bào)警并依次打開(kāi)K1、K2開(kāi)關(guān)，停止電力電子接口的工作。

圖7人電力電子接口并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)和停機(jī)實(shí)驗(yàn)

A、啟動(dòng)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(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)來(lái)拖動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于切入轉(zhuǎn)速時(shí)，直流升壓變頻器投入工作，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)上。測(cè)量和記錄發(fā)電機(jī)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(jī)操作：變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)來(lái)拖動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電，逐步降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速時(shí)，直流升壓變頻器停止工作，K1打開(kāi)，然后并網(wǎng)逆變器停止工作，K2打開(kāi)。測(cè)量發(fā)電機(jī)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(jī)操作：PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)感應(yīng)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、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(dāng)超過(guò)設(shè)定的安全數(shù)值范圍，報(bào)警并打開(kāi)K2、K1開(kāi)關(guān)，停止變頻器工作。

圖8 永磁同步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

3.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)已完成并網(wǎng)正常運(yùn)行，改變永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)量記錄發(fā)電機(jī)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(rèn)系統(tǒng)工作穩(wěn)態(tài)下始終在最大功率點(diǎn)上，計(jì)算并網(wǎng)電流的諧波畸變和功率因數(shù)。

3.6 脫網(wǎng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)調(diào)壓器降低并網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓，但電壓低于設(shè)定的值而并網(wǎng)電流過(guò)大時(shí)，K1打開(kāi)，然后K2打開(kāi)，完成脫網(wǎng)，隨后永磁發(fā)電機(jī)逐步降低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)停機(jī)。測(cè)量記錄發(fā)電機(jī)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(hù)實(shí)驗(yàn)

3.7 網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

通過(guò)PLC檢測(cè)并網(wǎng)電流的功率因數(shù)和無(wú)功大小，發(fā)出無(wú)功補(bǔ)償功率指令，并網(wǎng)逆變器執(zhí)行無(wú)功補(bǔ)償指令，測(cè)量記錄發(fā)電機(jī)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(wú)功功率的變化。

除基本實(shí)驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)室還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以下實(shí)驗(yàn)，供演示或者驗(yàn)證。

?風(fēng)速與輸出功率特性實(shí)驗(yàn)

?風(fēng)能最大功率捕獲驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

?系統(tǒng)控制編程實(shí)驗(yàn)

?網(wǎng)絡(luò)功能遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)

?I/O控制實(shí)驗(yàn)等