基于DSP实现风力发电机组并网运行

1、 79可再生能源Renewable Energy Resources第 25卷 第 4期 2007年 8月Vol.25No.4Aug. 20071系统结构及工作原理图 1为本文提出的风电机组并网运行系统。该系统主要由风力机、 电磁滑差离合器、 同步 发电机、 DSP 控制器以及功率驱动装置等组成。 电磁滑差离合器由电枢、 磁极和励磁线圈 3部分组成。 电 枢可以做成像异步电动机转子那样的短路绕组, 也 可以做成铸钢制成的圆筒形结构, 它是与风力机的 转轴相连接的主动部分; 磁极做成爪形结构, 且套有 励磁绕组, 装在负载轴上, 是与同步发电机转轴相连 的从动部分。 励磁绕组由集电环通以直流励磁

2、电流。 主动部分和从动部分在机械上无任何联系。电流通 过励磁绕组产生磁场, 爪形结构便形成很多对磁极。 此时若电枢被风力机拖动旋转, 那么它便切割磁场 相互作用, 产生转矩; 于是从动部分的磁极便跟着主 动部分电枢一起旋转。 前者的转速低于后者, 因为只 有当电枢与磁场存在着相对运动时, 电枢才能切割 磁力线。 风力机和同步发电机之间无机械连接, 只是 通过电磁滑差离合器的电磁作用从风力机向同步基 于 DSP 实 现 风 力 发 电 机 组 并 网 运 行杨培宏,刘文颖(华北电力大学 电气工程学院,北京 102206摘要:提出了一种风力发电机组并网运行系统; 研究了基于数字信号处理器 DSP

3、(TMS320F240 控制的发 电机转速驱动控制系统; 详细介绍了该系统的 DSP 控制器的硬件电路设计, 实现了对发电机转轴的速度检测 和滑差离合器励磁线圈的电流检测; 最后给出了该系统的软件设计方案及控制策略, 完成对整个系统的控制, 使发电机转速稳定, 且输出稳定的频率和电压。关键词:风力发电;数字信号处理器(DSP ;电磁滑差离合器;并网型 中图分类号:TM614; YM712文献标志码:B文章编号:1671-5292(2007 04-0079-04Power grid connected wind generation system based on DSPYANG Pei-hon

4、g , LIU Wen-ying(School of Electrical Engineering, North China Electrical Power University, Beijing 102206, China Abstract :A power grid connected wind generation system is proposed in this paper, this system is composed by three units which are wind turbine, electromagnetic slip clutch and synchron

5、ousgenerator. A generator rotor speed control system based on digital signal processor -DSP (TMS 320F 240 is also studied in this paper. The hardware design solutions of the DSP controller is introduced in detail, then the speed of the generator rotor and the exciting current of the electro-magnetic

6、 slip clutch are detected in the proposed system, finally the software design solutions and the control method for the whole system are presented. As a result, the speed of generator, the voltage and frequency of the whole system has been stabilized. Key words :wind power; digital signal processor (

7、DSP ; electromagnetic slip clutch; network-forming 收稿日期:2006-10-20。作者简介:杨培宏(1981- , 男, 硕士研究生, 主要从事电力系统稳定运行方面的研究。 E-mail:yangpeihong1025 图 1并网型风力发电系统Fig.1Diagram of power grid connected wind generationsystem电 流 检 测位 置 检 测速 度 检 测电 网功 率 驱 动TMS320F240DSP风力机电磁滑差离合器同步发电机! ! !可再生能源2007, 25(4 80图 2转矩滑差特性Fig

8、.2Characteristic of torque and slip clutchM M 1abcIe 1Ie 2Ie 3SaSbScS图 3并网型风力发电系统驱动控制系统示意图Fig.3Hardware diagram of power grid connected windgeneration system发电机传递力矩。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转 子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质 区别, 只是异步电动机的旋转磁场由定子绕组中 的三相交流电产生, 而电磁滑差离合器的磁场由 励磁线圈中的直流电流产生, 并由电枢旋转才起 到旋转磁场的作用。由于风速的变化会改变风力 机的

9、输出力矩, 而通过调节电磁滑差离合器的励 磁电流使发电机的输入力矩保持不变。调整励磁 电流就可以实现发电机的输入转矩保持不变, 从 不同励磁电流时的电磁滑差离合器的机械特性能看出这一点(图 2 1。图中所示为励磁电流分别为 Ie 1, Ie 2, Ie 3时的 M-S 特性曲线。 M 表示滑差离合器输出转矩, 即同步发电机的输入转矩; S 表示滑差,即 S=(! 1-! 2 /! 1。设风力发电机组工作于励磁电流为 Ie 1的 M-S 特性曲线上的 a 点,此时离合器的输出力矩为 M 1。设风力机的转速为 ! 1,同步发电机的转速为 ! 2, 此时, 若风速加大, 风力机加速, 同步发电机的

10、转速 ! 2也随之升高。但通过测速装置将速度信号 送到 DSP 内部, 通过比较判断, DSP 快速调节励磁 电流由 Ie 1变为 Ie 2, 此时风力机将工作于励磁电流 为 Ie 2的 M -S 特性曲线上的 b 点, 从而维持作用于 同步发电机轴上的力矩 M 1不变, 即同步发电机的 转速也保持不变。 这样, 同步发电机输出的电压和 频率都将维持额定值不变,但此时的电磁滑差离 合器的滑差由 a 点的 S a 变为 b 点的 S b 。 同理, 当风 速继续加大,风力发电机组从 M -S 特性曲线上的 b 点过渡到 c 点, 此时励磁电流为 Ie 3, 滑差由 b 点 的 S b 变为 c

11、点的 S c 。 当风速减小时, 励磁电流将由 Ie 3向 Ie 1调整, 从而维持 M 1不变。由以上分析可知, 通过 DSP 控制电磁滑差离 合器的励磁电流即可实现系统稳定运行。 DSP 实 际上就是一套调速系统,它不仅能根据风力机的转速变化,而且还能根据负荷的变化作出相应地 调节, 来实现转速恒定, 保持功率实时平衡。 2DSP 控制器硬件设计TMS320F240系列是可以为高性能传动控制 提供先进、 可靠、 高效的信号处理与控制的硬件。 基于 DSP 控制器 TMS320F240的发电机转速驱 动控制系统的硬件结构如图 3所示。该系统主要包括发电机、 电磁滑差离合器、 无 刷旋转变压器

12、、 功率驱动电路、 RDC 转换电路、 保 护电路以及通讯接口电路等。系统采用事件管理 器产生高精度 PWM 波来控制给励磁线圈通直流 电的整流电路;发电机转速给定由 SCI 通讯口输 入实现, 根据给定的转速, 系统启动相应的事件管 理器产生一定的 PWM 波输出, 通过调整 PWM 波 的脉宽控制整流电路的 IGBT 功率管触发角, 进 行电压调节, 实现对发电机转速和转矩的控制。 2.1功率驱动电路励磁电流采用三相全桥整流的控制方式来输出 . 由于本系统需求较快的响应速度,故采用 IG-BT 作为整流器件。 由 DSP 生成的 PWM 波不能直 接驱动 IGBT, 需要驱动电路来驱动 I

13、GBT 。 IGBT 一 般采用集成芯片来驱动,本系统采用东芝公司 TLP250芯片 2。该芯片电路简单, 能驱动 100A/600V IGBT 。 它采用单电源供电 , 使用时须外接一 个电阻和一个 10V 的稳压管。 为了减小驱动电路 对控制系统的影响, 加入了光耦器件。 DSP 产生的PWM 波经光耦器件进行光电隔离后, 再送给驱动 芯片 TLP250, 这样使得控制信号变得稳定、 可靠。 2.2励磁电流检测电路驱动控制系统实时检测输入电磁滑差离合器 的励磁电流,利用电流传感器将电流信号转化为 05V 的模拟电压信号;再经过隔离运算,实现 DSP 的 ADC 输入端口与采样电路隔离后,

14、将其输 入 DSP 的 A/D 转换单元; 转换为数字的电流信号, 与给定的参考值作比较, 来控制 PWM 波宽度。 2.3转子速度检测检测发电机转子位置和速度的方法很多, 但无 刷旋转变压器具有抗冲击振动和能适应温湿度变 化的优点, 在环境恶劣的场合下应用较多 3。旋转变 压器是一种模拟型机电元件, 为了满足交流传动系 统数字化控制的要求, 就需要一定的信号接口电路 实现其模拟信号与控制系统数字信号之间的相互 转化, 这类接口电路是一类特殊的模数转换器, 也 就是所谓的旋转变压器数字转换(RDC 。本系统 采用无刷旋转变压器和 RDC 转换电路检测发电机 转子位置和速度。正弦波发生器采 IC

15、L8038芯片, 它可以生成方波、 三角波和正弦波。 本系统采用正弦 波输出, 输出幅值为 5V , 频率为 10kHz 的正弦波, 给无刷旋转变压器供电。 RDC 采用旋转变压器数 字转换器 AD2S90,AD2S90接收从旋转变压器来的 信号, 将模拟角度位置信号转换为数字型轴角信息, 可由数字信号处理器直接读取采用。 RDC 输出相位 差 为 90°的 A , B 两 路 脉 冲 信 号 , 整 形 后 送 入 TMS320F240的正交编码脉冲输入单元 ( QEP 1和 QEP 2引脚;CLK ,将 CLK 作为定时器 T 2CLK 进行计数, 计数到时产生周期中断,AD2S

16、90输出的 Vn 速度电压信号,输入到ADC 模块, 进行 A/D种方式检测发电机转轴转速送入 DSP为了提高检测转速的精度。2.4保护电路与工作模式切换作信号通过光耦隔离送至或非门入 , 通 过 CD4078送 入 DSP 的 PDPINT当 PDPINT 引脚被拉为低电平时, DSP器立即停止计数 , 封锁 PWM 输出。在风速变化较大的地区,应用双速发电机能 够更充分地利用风能 4。风速小时, 采用小容量低 速发电机; 风速大时, 采用大容量高速发电机。采 用双速发电机需要实现两个模式之间的在线切 换, 此时整个系统控制复杂, 处理的数据加大, 一 般需要多片 DSP 共同来实现双速发电

17、机稳定运 行。双速电机是靠改变定子绕组的极对数来实现 的, 主要有 3种方法:采用 2台定子绕组极对数 不同的电机;在 1台电机的定子上放置极对数 不同的相互独立的绕组;在 1台电机的定子上 仅安置 1套绕组,靠改变绕组的连接方式获得不 同的极对数。为此,需在 DSP 内部设定 3个电流 值, 进行切换运行模式, 每一个电流值对应着一种 模式的切换。 当大容量高速发电机运行时(即高速 模式下 , 对应的一个电流极大值为 I 1, 若采样电流 I f >I 1, 则将系统切换到低速模式下运行; 在低速模 式下对应着 2个电流极值,即电流极大值 I 2和电 流极小值 I 3, 若采样电流 I

18、 f >I 2, DSP 发中断信号, 封 锁 PWM 输出, 使发电机从电网中退出运行。当风 速达到启动风速时, 再次将发电机并入电网, 为了 限制并网瞬间的冲击电流, 采用晶闸管软并网。在 低速模式下运行, 若采样电流小于 I 3, 则将系统切 换到高速模式下运行。 高、 低速模式之间的切换实 现在线切换, 均通过晶闸管软切入电路实现。 3系统控制策略3.1控制过程该系统采用数字式双闭环控制,其控制原理 Fig.4Control principle diagram of power grid connectedwind generation system 81杨培宏, 等 基于 DS

19、P 实现风力发电机组并网运行 图中的外环是速度环,采用 PI 控制算法; 内 环是电流环, 采用 PID 控制算法。由给定的速度 V g 与实测的速度 V f (k 1相比较求得速度误差 E (k 1 ; 由给定转速 V g 与位置检测到速度 V f (k 2 相 比较求得速度误差 E (k 2 。将这个误差相加后经 过 PI 运算得到新的电流参考值, 经过电流限幅和 增益为 0.5的放大器送入电流环,作为励磁绕组 的电流参考值。 电流参考值和电流反馈值相比较, 得到电流环输入误差 e (k , 该误差信号经过 PID 运算, 经限幅输出得到新的 PWM 波, 并由功率驱 动电路控制 IGBT

20、 的触发角,进而控制发电机的 转速和转矩。3.2软件流程该系统的软件流程结构如图 5所示。开机后 DSP 首先进行初始化, 对一些计数单 元进行清零操作。初始化完成后, 启动 A/D 转换 定时器和 PWM 同期计数器。定时器按时启动 A/ D 转换, 这时需等待 A/D 转换是否完成, A/D 转换 没有完成则继续等待, 直到转换结束为止。 结束后 将 A/D 转换的结果暂存到 A/D 转换寄存器中并 进行中断请求。在中断服务程序中, 从 A/D 转换 寄存器中读取 A/D 转换的结果, 并将 A/D 转换的 结果与预先设定的值进行比较,并且作出相应的 处理。处理后进行速度 PI 运算, 运

21、算的结果作为 电流 PID 的给定值, 该值与采样电流值比较后进 行电流 PID 运算, 形成比较数值, 并赋予比较寄 存器。之后, 形成 PWM 信号输出, 从而实现对发 电机转矩和转速的控制。4结论本文提出一种并网型风力发电系统,该系 统主要由风力机、电磁滑差离合器和同步发电 机组成,通过控制电磁滑差离合器的励磁电流 而达到系统稳定运行。 通过在线高、 低速模式间 的切换运行, 能够充分利用风力资源, 提高了效 率。采用 DSP 控制器实现的双闭环控制系统能 够使系统具有较好的静态和动态性能,具有一 定的使用价值。参考文献:1王承煦 , 张源 . 风力发电 M. 北京:中国电力出版社 , 2003.2徐志跃 . 基于 SA4828的变频器设计 J. 电气传动 , 2006,36(1 :14-16.3南慧敏 , 冯箐 . 多极无刷变压器在 SRD 系统中的应用 J. 机电设备 ,2004,25(1 :10-12.4盛双文 , 许洪华 , 赵斌 , 等