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变速恒频双馈 风 力发电机组开放式并网实验系统及方法

阅读：1004发布：2020-09-21

专利汇可以提供变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统和方法，应用于一电网中，包括若干熔断器和若干接触器，第一、第二电压电流互感器，一网侧变流器，一直流电容，一转子侧变流器和一双馈发电机，其特征在于，包括：一可调压的隔离变压器，串联设置在所述电网与所述熔断器之间串联，用于手动调节以模拟实现各种电压幅值的并网；一DSP/FPGA控制系统，根据所述第一电压电流互感器的采样信号，控制输出到所述网侧变流器和所述转子侧变流器需要的第一、第二组控制信号；一编码器，与所述双馈电机相连，用于检测所述双馈电机转子侧的转速；一光耦隔离单元，连接在所述编码器和所述FPGA单元之间，用于信号进行滤波处理后输入至所述FPGA单元。，下面是变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统，应用于一电网中，包括若干熔断器和若干接触器，第一、第二电压电流互感器，一网侧变流器，一直流电容，一转子侧变流器和一双馈发电机，其特征在于，包括：
一可调压的隔离变压器，串联设置在所述电网与所述熔断器之间串联，用于手动调节以模拟实现各种电压幅值的并网；
一DSP/FPGA控制系统，根据所述第一电压电流互感器的采样信号，控制输出到所述网侧变流器和所述转子侧变流器需要的第一、第二组控制信号；
一编码器，与所述双馈电机相连，用于检测所述双馈电机转子侧的转速；
一光耦隔离单元，连接在所述编码器和所述FPGA单元之间，用于信号进行滤波处理后输入至所述FPGA单元。
2.根据权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统，其特征在于，所述DSP/FPGA控制系统进一步包括：
一电压电流采集单元，用于采集所述双馈发电机定子侧的电压、电流信号，所述电网的电压信号，所述变流器直流侧的电压、电流信号，所述变流器机侧的电压、电流信号，所述电压电流采集单元进一步包括串联的一运算放大器和一AD采集芯片，所述运算放大器的输入端与所述第一电压电流互感器的输出端相连；
一FPGA单元，与所述AD采集芯片、所述光耦隔离单元的输出端相连；
一DSP单元，连接所述FPGA单元的输出端，其第一输出端连接所述网侧变流器的控制端，提供所述第一组控制信号，其第二输出端连接所述转子侧变流器的控制端，提供所述第二组控制信号。
3.根据权利要求2所述的变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统，其特征在于，
所述若干熔断器包括第一、第二、第三熔断器，所述若干接触器包括第一、第二接触器，其中，所述第一熔断器和所述第一接触器串级，连接在所述隔离变压器和所述网侧变压器之间；所述第二熔断器和所述第二接触器串级，连接在所述第二电压电流互感器和所述双馈电机之间；所述第三熔断器和第三接触器串级，连接在所述双馈电机和所述电网之间。
4.一种应用权利要求3所述变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统的方法，该方法包含：
步骤一，上电后，通过所述DSP单元控制所述第一、第二、第三接触器，对所述直流电容进行预充电；
步骤二，判断所述直流电容的电压时否达到预设值，若达到则进行步骤三，若没有达到返回步骤一；
步骤三，通过所述DSP单元控制第一接触器，所述网侧变流器上电；
步骤四，调用所述网侧变流器的DSP单元解耦控制，输出第一组PWM三相控制信号给所述网侧变流器；
步骤五，判断所述网侧变流器的网侧输出是否稳定，若已稳定输出则进行步骤六，若没有稳定返回步骤四；
步骤六，通过所述DSP单元控制所述第二接触器，使得所述第二电流电压互感器的机侧输出至所述双馈电机转子；
步骤七，调用所述转子侧变流器的所述DSP单元解耦控制，输出第二组PWM三相控制信号给所述转子侧变流器；
步骤八，线性给定所述双馈电机的转子励磁电流至预设值；
步骤九，判断所述双馈电机的定子侧输出电压是否与期望值相同，若相同则进行步骤十，若不同则继续调整两组PWM三相控制信号；
步骤十，通过所述DSP单元控制所述第三接触器，使得所述双馈电机的定子连接至所述电网，实现并网操作；
步骤十一，设置给定无功功率值；
步骤十二，根据所述双馈电机的转速、叶尖速比，进行最大风能捕捉。
5.根据权利要求4所述的变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统的方法，其特征在于，
所述步骤九的判断包括幅值、相位、频率是否与期望值相同。

说明书全文

变速恒频双馈风 力发电机组开放式并网实验系统及方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及电力电子控制技术领域，特别是涉及基于变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统及方法。背景技术：

[0002] 随着人类对能源紧缺和环境污染问题的持续关注，可再生能源的开发和利用，特别是对风能的开发利用正受到各国的高度重视。

[0003] 传统的恒速恒频发电方式下，发电机输出频率完全取决于风机的速度，发电机并网前必须经过严格的同步，并网后也必须严格的控制转速恒定，处理不好可能导致系统的瘫痪或崩溃。

[0004] 在变速恒频风力发电系统中，双馈发电机和电力系统之间构成了“柔性连接”，双馈发电机转子绕组与幅值、频率、相位和相序均可调节的四象限变流器相连，可实现发电机定子有功功率和无功功率的解耦控制，提高了电力系统调节的灵活性和动﹑静态稳定性；同时，变速恒频风力发电技术可实现最大风能追踪，大大提高了能量转换效率，降低了由风施加到风力机上的机械应力。

[0005] 中国的风力发电设备起步较晚，大部分核心控制设备均采用进口设备，以系统集成为主，因此各高校、科研单位迫切需要一套开放式的变速恒频双馈发电机组并网实验系统，另外，对于兆瓦级大型风机的风能研究，也需要设计实验平台，模拟风速运行曲线。发明内容：

[0006] 针对上述问题，本发明的目的在于，提供一套变速恒频双馈风力发电机组的开放式并网实验系统及方法，主要实现以下功能：设计基于32位高精度、高速DSP单元处理器和FPGA单元协处理器的开放式双路三相PWM变流器，通过对双馈发电机定子有功、无功功率的解耦计算，变流器直流侧、机侧的电流、电压双闭环控制，实现对发电机的并网控制。

[0007] 为了实现上述发明目的，本发明公开了一种变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统，应用于一电网中，包括若干熔断器和若干接触器，第一、第二电压电流互感器，一网侧变流器，一直流电容，一转子侧变流器和一双馈发电机，其特征在于，包括：

[0008] 一可调压的隔离变压器，串联设置在所述电网与所述熔断器之间串联，用于手动调节以模拟实现各种电压幅值的并网；

[0009] 一DSP/FPGA控制系统，根据所述第一电压电流互感器的采样信号，控制输出到所述网侧变流器和所述转子侧变流器需要的第一、第二组控制信号；

[0010] 一编码器，与所述双馈电机相连，用于检测所述双馈电机转子侧的转速；

[0011] 一光耦隔离单元，连接在所述编码器和所述FPGA单元之间，用于信号进行滤波处理后输入至所述FPGA单元。

[0012] 比较好的是，所述DSP/FPGA控制系统进一步包括：

[0013] 一电压电流采集单元，用于采集所述双馈发电机定子侧的电压、电流信号，所述电网的电压信号，所述变流器直流侧的电压、电流信号，所述变流器机侧的电压、电流信号，所述电压电流采集单元进一步包括串联的一运算放大器和一AD采集芯片，所述运算放大器的输入端与所述第一电压电流互感器的输出端相连；

[0014] 一FPGA单元，与所述AD采集芯片、所述光耦隔离单元的输出端相连；

[0015] 一DSP单元，连接所述FPGA单元的输出端，其第一输出端连接所述网侧变流器的控制端，提供所述第一组控制信号，其第二输出端连接所述转子侧变流器的控制端，提供所述第二组控制信号。

[0016] 比较好的是，所述若干熔断器包括第一、第二、第三熔断器，所述若干接触器包括第一、第二接触器，其中，所述第一熔断器和所述第一接触器串级，连接在所述隔离变压器和所述网侧变压器之间；所述第二熔断器和所述第二接触器串级，连接在所述第二电压电流互感器和所述双馈电机之间；所述第三熔断器和第三接触器串级，连接在所述双馈电机和所述电网之间。

[0017] 本发明还公开了一种变速恒频双馈风力发电机组开放式并网实验系统的方法，该方法包含：

[0018] 步骤一，上电后，通过所述DSP单元控制所述第一、第二、第三接触器，对所述直流电容进行预充电；

[0019] 步骤二，判断所述直流电容的电压时否达到预设值，若达到则进行步骤三，若没有达到返回步骤一；

[0020] 步骤三，通过所述DSP单元控制第一接触器，所述网侧变流器上电；

[0021] 步骤四，调用所述网侧变流器的DSP单元解耦控制，输出第一组PWM三相控制信号给所述网侧变流器；

[0022] 步骤五，判断所述网侧变流器的网侧输出是否稳定，若已稳定输出则进行步骤六，若没有稳定返回步骤四；

[0023] 步骤六，通过所述DSP单元控制所述第二接触器，使得所述第二电流电压互感器的机侧输出至所述双馈电机转子；

[0024] 步骤七，调用所述转子侧变流器的所述DSP单元解耦控制，输出第二组PWM三相控制信号给所述转子侧变流器；

[0025] 步骤八，线性给定所述双馈电机的转子励磁电流至预设值；

[0026] 步骤九，判断所述双馈电机的定子侧输出电压是否与期望值相同，若相同则进行步骤十，若不同则继续调整两组PWM三相控制信号；

[0027] 步骤十，通过所述DSP单元控制所述第三接触器，使得所述双馈电机的定子连接至所述电网，实现并网操作；

[0028] 步骤十一，设置给定无功功率值；

[0029] 步骤十二，根据所述双馈电机的转速、叶尖速比，进行最大风能捕捉。

[0030] 比较好的是，所述步骤九的判断包括幅值、相位、频率是否与期望值相同。

[0031] 本发明的整套系统均采用开放式设计，通过采用FPGA单元、DSP单元的分布式控制实现了对采样、控制的同步化，提高了控制精度和稳定性；通过串联隔离变压器的方式，实现模拟并网，大大增加了实验的可操作性、对电网的安全性；通过线性的方式逐步增加励磁电流给定，采用前馈与PID相结合的控制算法，克服了并网冲击电流大，容易造成装置损坏的缺点，提高了系统的稳定性及动态响应。附图说明

[0032] 下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

[0033] 图1是本系统的结构示意图；

[0034] 图2是本系统中DSP单元的工作流程图；

[0035] 图3是本系统中网侧变流器的DSP单元解耦控制算法示意图；

[0036] 图4是本系统中转子侧变流器的DSP单元解耦控制算法示意图。具体实施方式：

[0037] 请参见图1所示，本发明的系统主要由隔离变压器1、第一、第二、第三熔断器21-23、第一、第二、第三接触器31-33、第一电压电流互感器4、网侧变流器(AC/DC IGBT)5、直流电容6、转子侧变流器(DC/AC IGBT)7、第二电压电流互感器8、双馈发电机9、DSP/FPGA控制系统10、编码器11和光耦隔离单元12组成。

[0038] 第一、第二电压电流互感器4和8分别用于采集电网、双馈电机转子、定子的电压电流信号；编码器11用于检测双馈电机9转子侧的转速；DSP/FPGA控制系统10根据采集的电压电流信号、转速信号，产生控制网侧变流器5的PWM1/2/3信号和转子侧变流器7的PWM4/5/6信号，以此控制转子电压，使得双馈电机定子侧产生与期望幅值、相位、频率的交流电压，实现并网。

[0039] 作为实验科研设备，为防止在实验中因为各种原因不满足并网条件被误并网，而影响电网稳定性，或实验中希望模拟并网，在本驱动单元中将电网与熔断器1之间串联一个可调压的隔离变压器1，实验或算法研究中，可通过手动调节隔离变压器1的输出，模拟实现各种电压幅值的并网，尤其是进行低电压并网实验，既能满足并网实验、算法研究的需求，又提高了实验的安全性。

[0040] 进一步可以看到，上述系统中的DSP/FPGA控制系统10包含电压电流采集单元100、FPGA单元101和DSP单元102组成。

[0041] 其中的电压电流位置采集单元100由运算放大器1001和AD采样芯片1002组成。

[0042] 该采集单元100主要采集双馈发电机定子侧的电压、电流信号，电网电压信号，变流器直流侧的电压、电流信号，变流器机侧的电压、电流信号，所有信号经第一、第二电流电压互感器4、8采样后输出至运算放大器1001，然后输入至AD采样芯片1002，经芯片1002内采样保持器、同步采样、AD转换后通过FPGA单元101并行总线输出至DSP单元102。编码器11将信号经光耦隔离单元12进行滤波处理后输入至FPGA单元101，将A/B相脉冲的累计值也通过并行总线输出至DSP单元102。DSP单元102虽然具备AD采样功能，但为串行采样，因此不能保证各路信号采集的同步性，而通过FPGA单元101可并行控制多路AD采集芯片1002，实现同步采样。

[0043] 下面结合前述结构框图，介绍DSP单元102的控制逻辑流程如下：

[0044] S1：系统上电后，通过DSP单元102控制相应继电器31-33，对直流电容6进行预充电；

[0045] S2：判断电流电容电压时否达到预设值，若达到则进行S3步骤；

[0046] S3：通过DSP单元控制接触器31，网侧变流器5(AC/DC IGBT)上电；

[0047] S4：调用网侧变流器5的DSP单元解耦控制算法，输出第一组PWM1/2/3三相控制信号；

[0048] S5：判断变流器5网侧输出是否稳定，若已稳定输出则进行S6步骤；

[0049] S6：通过DSP单元控制接触器32，使得变流器8机侧输出至双馈电机转子；

[0050] S7：调用转子侧变流器7的DSP单元解耦控制算法，输出第二组PWM4/5/6三相控制信号；

[0051] S8：线性给定双馈电机9的转子励磁电流至预设值；

[0052] S9：判断双馈电机9的定子侧输出电压是否与期望值相同(幅值、相位、频率)？若相同则进行S10步骤；不同则继续调整两组PWM输出；

[0053] S10：通过DSP单元102控制接触器33，使得双馈电机9的定子连接至电网，实现并网操作；

[0054] S11：设置给定无功功率值；

[0055] S12：根据双馈电机9的转速、叶尖速比，进行最大风能捕捉。

[0056] 在上述流程的步骤S8中，线性励磁电流给定算法具体如下：

[0057] 机组启动过程中，若以阶跃的方式给定磁力电流，将会造成系统过冲、过压现象，导致系统部稳定，本系统中采用线性方式逐步增加励磁电流给定，建立以下励磁电流给函数：

[0058] Ir_qust=0.03*t+0.05

[0059] 式中，Ir_qust为励磁给定电流，t为控制周期。在机组初始运行时给定励磁电流0.05(标幺值)，以后每个控制周期，励磁电流增加0.03(标幺值)，直至达到系统给定值，以此克服过冲、过压现象，提高装置可靠性。

[0060] 在上述流程的步骤S4中，网侧变流器5的DSP单元解耦控制算法如下：

[0061] 采用电压定向控制策略，将d轴定向到网侧电压，网侧实现了有功功率和无功功率的解耦，从电网采集电网电压Uga、Ugb、Ugc，电网电流Iga、Igb、Igc，经过αβ/abc变换、dq/αβ变换后分别得到，从变流器直流侧采样直流电压Udc，将系统输入的直流侧给定电压和电网无功功率与反馈值分别进行PID运算、为消除d、q轴间电流耦合和消除电网电压扰动，引入基于电流反馈的ωLiq和ωLid电网电压前馈补偿，得到网侧的控制电压，再经dq/αβ变换后得到控制PWM1/2/3的控制信号，驱动AC/DC侧IGBT。

[0062] 在上述流程的步骤S7中，转子侧变流器7的DSP单元102解耦控制算法如下：

[0063] 从机侧采集到的转子电流Ira、Irb、Irc，从定子侧采集到的定子电压Usa、Usb、Usc，定子电流Isa、Isb、Isc，经过αβ/abc变换、dq/αβ变换后分别得到Irq、Ird，Usq、Usd，Isq、Isd；

[0064] 从编码器采集到的转子转速θr、从定子电压采集得到的相位角θ1，分别经过积分、解耦计算后得到△Urd、△Urq；

[0065] 通过对Usq、Usd和Isq、Isd的功率计算，得到定子侧反馈的有功功率Ps和无功功率Qs；

[0066] 根据风机的风速，通过最大风能捕捉算法得到给定的期望有功功率Qs*，通过对电*网无功功率补偿得到给定的期望无功功率Ps，经PID运算后得到机侧的期望有功、无功电* *
流Ird 和Irq，再与实际反馈值进行比较，经PID运算、前馈补偿去掉由反电动势引起的交叉* *
耦合项后，得到机侧的控制电压Urd 和Urq，再经dq/αβ变换后得到控制PWM4/5/6的控制信号，驱动AC/DC侧IGBT。

[0067] 前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

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