风力发电功率控制

收稿日期：2008-05-30 作者简介：曹云峰（1977-），男，安徽淮北人，讲师，博士后，研究方向：风力发电控制，智能控制；蔡旭（1965-），男，江苏徐州人，教授，博士， 博士生导师，研究方向：配网安全与电力电子、电能质量控制与用户电力、配电自动化与保护。 变速恒频双馈风力发电试验系统的研究与实现 曹云峰，蔡 旭 （上海交通大学 电气工程系，上海 200030） 摘 要：变速恒频双馈风力发电机组运行在额定风速以下时，可以进行最大风能捕获，最大效率的利用风能；在额 定风速以上，输出功率平稳，且传动系统具有良好的柔性。为了在实验室条件下研究变速恒频双馈风力发电电气控 制技术，设计并实现了变速恒频双馈风力发电试验平台主控制系统，对主控制系统的硬件配置和软件结构以及系统 所要实现的功能模块进行了详细的探讨。 关键词：风力发电；变速恒频；最大风能捕获；主控系统 中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1008-5475（2008）03-0001-06 0 引 言 能源危机和环境危机使人们越来越意识到开发 可再生能源的重要性，必须采取可持续化发展战略， 利用科技手段开发可再生能源[1]。风能作为一种清洁 无污染、具有大规模开发利用前景的可再生能源，受 到世界各国的普遍重视[2]。为降低生产成本，提高风力 发电的经济效益，各国不断提高风电机组的单机容 量，变速恒频双馈发电在风速变化的情况下可以实时 地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，进 行最大风能的捕获，从而提高了风能利 用效率，同时也优化了风力机的运行条 件，因此变速恒频双馈风力发电系统成 为当前风力发电系统的主要方式[3-6]。为 了满足风力发电技术的开发需要，在实 验室条件下研究风力发电技术和电气 控制，本文设计并实现了变速恒频双馈 风力发电试验平台主控制系统，首先对 系统试验平台进行介绍，随后对试验平 台的主控制系统的硬件配置和软件结 构以及系统软件所要实现的功能模块 进行了详细的研究。试验运行结果表明 了主控制系统实现了试验系统的协调 运行以及最大功率跟踪控制。 1 变速恒频双馈风力发电实验平台的构成 为了对风力发电电控系统及其关键技术进行研 究，实验室设计并构建了一套完整的 11KW变速恒 频双馈风力发电实验平台，其结构如图 1所示，本文 主要研究主控制系统，主控制系统实现风场与风力 机模拟系统，风力发电变换器系统，主控制系统三者 的协调运行，并实现最大风能捕获控制，使得 11KW 变速恒频双馈风力发电试验系统能够快速的进行最 大风能跟踪，从而最大效率的利用风能。 苏州市职业大学学报允燥怎则灶葬造 燥枣 杂怎扎澡燥怎 Vocational University第 19卷 第 3期圆园园8年 9月 灾燥造援19 No.3Sep. 圆园园8 晶闸管调速器 DFIG Dsp变换器控制系统 主控制系统 风场与风力极虚拟控 制系统 升压变压器 升 压 变 压 器 并 网 装 置 平 波 电 抗 器 Ua,b,c I a,b,c I a2,b2,c2 I a1,b1,c1 u a1,b1,c1 并网 电信号 u as,bs,cs Udc网侧变换器 驱动信号 机侧变换器 驱动信号 直流电动 机控制信 号 DC 电动机 网侧变换器 机侧变压器 进线电抗器A B C A B C 编码 器 图 1 变速恒频双馈风力发电试验系统结构图 DSP 1- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 整个实验系统包括双馈感应发电机转子励磁控 制变换器系统，由数字信号处理器（DSP）完成转子 励磁控制、风场与风力机模拟系统和主控制系统以 及系统之间的通讯等。实验系统控制对象包括一台 双馈感应发电机和一台用来模拟风力机特性的直流 电动机，因此可将实验系统分为在结构和功能上相 对独立的两个子系统：双馈感应发电机转子励磁变 换器子系统和风场与风力机模拟子系统，它们受主 控制系统统一的监控和管理。 2 主控制系统硬件选型和接口配置 2.1 主控制系统结构 主控制器硬件采用工控机，使用 PCI数据采集 卡采集信号，并采用远程方式进行监控，本地控制器 和远程监控计算机通过以太网进行通信，远程监控 计算机和本地主控制器处于一个局域网内，这样可 以设置任意多的监控计算机对风力发电试验系统进 行监控，主控制系统系统结构如图 2所示。 2.2 主控制系统硬件选型 如图 1所示，风力发电主控制系统需要与风场 与风力机模拟系统，风力发电变换器系统进行通信。 主控制系统采用 Art-Control PCI2312、PCI2301 和 PCI8191数据采集卡完成该功能。 PCI2312是一块 32 位 PCI 总线光电隔离输入 输出板，具有 16路开关量隔离输入和 16路开关量 隔离输出。PCI2301数据采集卡是一块 32位 PCI总 线隔离 8路 12位通用 D/A转换模板，它可提供 8 路电压信号输出或电流信号输出，多种输出信号范 围。PCI8191数据采集卡是一块 32位 PCI总线隔离 8路 16位通用 A/D转换模板，它可提供 32通道（单 端 SE），16通道（双端 DI）电压输入。 2.3 主控制系统接口配置 风力发电主控制系统和风场与风力机模拟系 统，风力发电变换器系统之间的模拟量和开关量的 数据通信结构图如图 3所示。 3 主控制系统的软件设计 3.1 控制系统软件结构 主控制系统的软件程序主要包括六个部分：数据 采集模块、串口通信模块、最大功率跟踪控制模块、制 动程序模块、风机运行状态流程控制模块、监控画面 等。软件结构如图 4所示，其中，数据采集模块控制和 驱动主控制系统的 PCI2312、PCI2301、PCI8191数据 采集卡和风场与风力机模拟系统以及风力发电变换器 系统进行数据通信；串口通信模块即实现了主控制系 统和功率变送器之间的数据通信，将功率变送器计算 得出的定子侧电压值、电流值、有功功率值、无功功率 值、频率值、功率因数值等传递给主控制系统；制动程 序就是根据不同的状态代码进行不同的级别的变桨程 序和发电机脱网过程；最大功率跟踪控制模块实现最 大功率跟踪控制。风机运行状态流程控制模块主要实 现风场与风力机模拟系统，风力发电变换器系统，主控 制系统三者的协调运行，进而实现变速恒频风力发电 机组四个不同阶段的运行状态的转换。最后，监控画面 为主控制系统提供了一套友好的人机界面。 图 2 主控制系统系统结构 本地主控制器 数据采集卡 风场与 风力机 虚拟系 统 风力发电 变换器系 统 编码器 和功率 变送器 远程监控 计算机 ……… 远程监控 计算机 以太网 主控制系统软件结构 监控画面 风机运行状态流程控制模块 图 4 主控制系统软件结构图 最 大 功 率 跟 踪 控 制 模 块 制 动 程 序 模 块 串 口 通 信 模 块 数 据 采 集 模 块 苏州市职业大学学报 第 19卷 图 3 风力发电主控制系统系统数据通信结构图 主 控 制 器 DSP 变换器 控制器 风场与风 力机虚拟 系统 功率 变送器 频率变送器 发电 机定 子侧 电压 电流 发电机 转速编 码器 DI136 DI137 DI139 DI140 DI141 DI142 DI143 DO521 DO522 AI428 AI431 AI721 AO711 L1电压 L2电压 L3电压 L1电流 L2电流 L3电流 AI450 AI451 网侧 变换 器 转子 侧变 换器 控制信号 反馈信号 控制信号 反馈信号 AO714 AO715 DO511 DO523 DO524 DI133 DI134 2- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3.2 双馈风力发电实验系统实验运行状态流程图 双馈风力发电实验系统运行状态流程控制图如 图 5所示。风机运行状态流程控制主要是实现变速 风力发电机组四个不同阶段的运行状态的转换，包 括起动阶段、最大风能追踪阶段、恒转速运行阶段、 恒功率运行阶段。主要根据风机的转速、功率情况进 行状态之间的转换[7]，同时对状态中所包含的操作进 行控制。操作包括发电机并网、脱网、变换器如何投 入使用以及进行所需的变浆操作。变桨操作就是主 控制器给风场虚拟系统一个变桨信号，风场虚拟系 统根据变桨信号改变风力机转矩，模拟实际的变桨 操作。制动程序就是根据不同的状态代码进行不同 的级别的变桨程序和发电机脱网过程。 3.3 最大功率跟踪控制 在定桨距、不同风速条件下，风力机随着转速变 化吸收的风能如图 6所示。可以看出，在不同风速 v 下，风力机轴上输出的机械功率 Pm与转速 棕的关 系。转速不同则风力机输出功率不同，总有一个固定 的最佳转速 棕opt，使风力机运行于此转速下，会达到 最佳叶尖速比 姿opt，从而捕捉最大风能 Pmax，输出最 大功率，实现最大风能捕获[8][9]。 假设风速 v1约v2约v3，Popt 曲线是各风速下最大输 出功率连线，也就是最大功率曲线。跟踪最佳功率原 转速曲线法过程如下，设当前风速为 v1 下，风力机 稳定运行在最佳功率曲线的 A点上，此时风力机输 出转矩、功率与发电机的电磁转矩、功率相平衡。如 风速升高至 v2，风力机就会由 A点跳至 B点运行， 其输出转矩、功率突然增加。由于发电机惯性的作 用，发电机仍然运行在 A点对应的转速和功率状 态。这时发电机的输入功率和转矩大于其电磁功率 和转矩，转速上升。在转速增加过程中，风力机和发 电机分别沿着 BC和 AC曲线运行。当达到风力机功 率曲线和最佳功率曲线相交的 C点时，功率再一次 达到新的平衡，转速稳定。把跟踪最佳功率———转速 曲线法作为主控制系统中的最大风能捕获算法。 3.4 数据采集模块的开发 该模块的软件流程图如图 7所示。根据图 7，在 主程序开始运行后，数据采集卡的软件程序首先调 用 PCI2312、PCI2301和 PCI8191数据采集卡相关的 库函数对采集卡进行初始化，启动数据采集卡，然后 同时进行对模拟量输入通道、开关量输入通道的读 取和对模拟输出通道、开关量输出通道的写入。主控 制系统接收风场和风力机模拟系统和变换器系统发 送来的模拟量信号主要依赖于 PCI8191数据采集卡 的模拟输入通道，在本程序模块中，首先设置一个固 定长度的数组作为模拟输入通道的数据存储缓冲 区，然后将采集得到的电平序列存入上述数据缓冲 区，再根据预先设置的电压量程范围对该缓冲区内 的数据进行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化转换。最后，将转换后的数据存入 变量，即完成了对变量值的刷新。同理，PCI2301是 一块带有模拟量输出通道的数据采集卡，它在本程 序中负责将实时变量值传递给风场和风力机模拟系 统和变换器系统。在数据采集程序模块中，先将变量 图 5 双馈风力发电实验系统运行状态流程图 风机系统运行状态 启动 预处理 变换器并网 发电机并网 最大功率跟踪 恒转速控制 恒功率控制 发电机脱网 变换器脱网 停止 变换器有功和无功解耦控制 变桨控制系统 变换器有功和无功解耦控制 最大有功功率跟踪和 无功功率设定 变换器控制发电机并网 变桨控制系统 曹云峰，等：变速恒频双馈风力发电试验系统的研究与实现2008年第 3期 图 6 风力机输出功率和转速关系曲线图 风力机旋转角速度Wr（rad/s） 3- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 值转换为约定的标准电平值，然后驱动数据采集卡 相关通道输出该电平。主控制系统和风场与风力机 模拟系统和变换器系统传递的开关量信号主要依赖 于 PCI2312 数据采集卡的开关量输入输出通道。 3.5 基于 MODBUS协议串口通信模块的软件实现 在主控制系统中，工控机需要和功率变送器进 行通信，用于传输定子电网信号等，功率变送器提供 遵从 MODBUS串口通信协议的 RS485串口，在通 图 8 串口发送和接收报文的程序流程图 创建数据帧 B y te(9 ) 将从设备地址写入 B y te(0 ) 将功能码写入 B y te(1 ) 将起始寄存器 地址写入 B y t e(2 )～ B y te(3 ) 将寄存器个数写入 B y te(4～ B y t e (5 ) 计算校验位 C R C写入 B y te(6～ B y te (7 ) 读出缓冲区 数据帧 校验 C R C 结束 正确 串口初始化 发送报文 接收报文 打开串口 取出 B y t e( 3 )～ B y te( 4 )值 计算得到 U a b值 取出 B y te (7 )～ B y te (8 )值 计算得到 U c b值 取出 B y te (5 )～ B y te (6 )值 计算得到 Ia b值 取出 B y te( 9)～ B y te( 1 0)值 计算得到 Ic b值 取出 B y te( 1 1)～ B y t e( 1 2) 值计算得到 P值 取出 B y te( 1 3)～ B y t e( 1 4) 值计算得到 Q值 取出 B y te( 1 5)～ B y t e( 1 6) 值计算得到 C O SФ 值 取出 B y te( 1 7)～ B y t e( 1 8) 值计算得到 f值 关闭串口 否 图 7 数据采集模块的程序流程图 数据采集卡 初始化 启动数据 采集卡 是否启动成功 出错报文信息 读取需要的开关 量信号值 读取开关量输入 通道电平信号 读取需要不是模拟 量信号值 读取模拟量输入 通道电平信号 标准化为需要的 信号值 存入需要的模拟 量信号值 驱动模拟量输出 通道输出信号 存入需要的开关 量信号值 驱动输出开关量 通道输出信号 转换为模拟量 电平值 是否停止设备 退出 否 苏州市职业大学学报 第 19卷 4- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 过一个 RS485转换成 RS232串口的硬件转接口，实 现工控机和功率变送器的通信。 基于modbus串口通信协议的串口通信程序模块 流程图如图 8所示，程序首先创建一个包含 8个字节 的数组 Byte [8]，然后将从设备地址（01hex）写入 Byte （0），将功能码（03hex）写入 Byte（1），将起始寄存器地 址（00hex；01hex）写入 Byte（2）耀Byte（3），再将寄存器 个数（00hex；08hex）字写入 Byte（4）耀Byte（5），再将 CRC校验码（45hex；C9hex）字写入 Byte（6）耀Byte（7）， 完成电报报文的赋值后，调用 Labview中的 VISA模 块，打开串口将该报文通过选中的串口发送出去即可。 功率变送器在收到该串报文后，会自动回复一 个从报文。通过对主报文中的起始寄存器地址和寄 存器个数相关参数的设置，得到所需要的电参数。当 数据从报文达到时，软件程序将缓冲区内的报文一 次读出并取出有效数据区的数据进行相应的计算， 根据有效数据区的报文格式得到相应的定子侧电参 数，并更新定子侧电参量监视画面。 3.6 主控制系统监控画面的开发 为了满足实际项目需要，主控制系统的监控画 面如图 9所示。在该画面中，有风机的启动，脱网和 停机控制等控制按钮，可以直接对一些运行参数如 切入风速，发电机切入转速，切入转速稳定时间，以 及进行保护的最大转速进行配置，还可以对实时的 模拟风速、电机实时转速、桨距角位置、并网信号，以 及变频器有功功率和无功功率给定，运行所处的状 态等变量进行监控，图中的定子侧电网信号监视和 最大功率跟踪按钮可以调出相应的监视画面，定子 侧电网信号监视画面如图 10所示，最大功率跟踪监 视画面如图 11所示。作为主控制系统的软件配套， 本用户界面良好地满足了用户的操作和监控需要， 为整个模拟系统的运行提供了有效支持。 4 主控制系统的运行试验分析 主控制系统完成了试验平台风场与风力机模拟 系统，主控制器和变换器三者的协调运行，实现了双 馈风力发电的最大功率跟踪控制。 试验运行前，首先风力发电变换器系统和风场 与风力机模拟系统处于就绪状态，对系统运行控制 的一些参数进行设置，然后按风机启动按钮，整个试 验平台系统就运行起来，三者协调运行画面如图 11、图 12、图 13所示。图 11为风场与风力机模拟系 统运行画面，从中可以看出风场和风力机模拟系统 设置了 5段不同的风速，经过一段时间变化一次风 速，用于模拟实际风度的变化过程，图 12为主控制 器最大功率跟踪运行画面，图中上面一个画面中的 曲线 1为最大功率跟踪理论功率曲线，曲线 2为实 际功率跟踪曲线，从画面中可以看到实际功率跟踪 曲线和理论功率曲线基本吻合，说明主控制系统实 现了最大功率跟踪控制，图 13为变换器系统控制过 程转子侧，定子侧电压电流曲线，曲线 1为定子电压 曲线，曲线 2为定子电流曲线，曲线 3为变换器直流 电容电压曲线，曲线 4为转子电流曲线。 图 11 风场与风力机模拟系统运行画面 图 10 定子侧信号监视画面 图 9 风力发电主控制系统监控画面 曹云峰，等：变速恒频双馈风力发电试验系统的研究与实现2008年第 3期 5- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 结论 变速恒频风力发电机组运行在额定风速以下 时，可以进行最大风能捕获，最大效率的利用风能， 在额定风速以上，输出功率平稳，且传动系统具有良 好的柔性。本文设计并实现了变速恒频双馈风力发 电试验平台主控制系统，对系统试验平台进行了介 绍，对试验平台的主控制系统的硬件配置和软件结 构以及系统所要实现的功能模块进行了详细的研 究，主控制系统的试验运行结果表明主控制系统实 现了系统的协调运行以及最大功率跟踪控制。 参考文献： [1] 江泽民.对中国能源问题的思考[J].上海交通大学学报， 2008，42（3）：345-359. 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[9] 刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电机最大风能 跟踪控制[J].电力系统自动化，2003，27（20）：62-67. （责任编辑：尚 丽） The Experimental System’s Research and Realization of Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generation with Doubly-fed Inductor Generation CAO Yun-feng, CAI Xu （Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China） Abstract: Variable speed constant frequency wind power generation with doubly-fed inductor generation can obtain the maximal wind power tracking and utilize the wind energy to the maximum efficiency under rated wind speed. And above rated wind speed, the output power is calm, and the drive system has goodflexibility as well. In order to study the technique of variable speed constant frequency wind power generation with doubly-fed inductor generator and related electrical control in laboratory environment, the main control system of variable speed constant frequency wind power generation with doubly-fed inductor generator experimental platform is designed and implemented, and the hardware configuration, system software structure and function module of the main control system are discussed in detail. Key words: wind power；variable speed constant frequency；maximal wind power tracking；main control system 苏州市职业大学学报 第 19卷 图 12 主控制系统最大功率跟踪运行画面 图 13 变换器系统控制过程转子侧和定子侧电压电流曲线 1 2 3 4 6- - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com