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风力发电功率控制.pdf

风力发电功率控制

dxm20050136
2011-12-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《风力发电功率控制pdf》,可适用于工程科技领域

收稿日期:作者简介:曹云峰()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()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)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:TM文献标识码:A文章编号:()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。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。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。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。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KW变速恒频双馈风力发电实验平台其结构如图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KW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VocationalUniversity第卷第期圆园园年月灾燥造援NoSep圆园园晶闸管调速器DFIGDsp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,cIa,b,cIa,b,cIa,b,cua,b,c并网电信号uas,bs,csUdc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ABCABC编码器图变速恒频双馈风力发电试验系统结构图DSPPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom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。主控制系统硬件选型和接口配置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所示。主控制系统硬件选型如图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ArtControlPCI、PCI和PCI数据采集卡完成该功能。PCI是一块位PCI总线光电隔离输入输出板具有路开关量隔离输入和路开关量隔离输出。PCI数据采集卡是一块位PCI总线隔离路位通用DA转换模板它可提供路电压信号输出或电流信号输出多种输出信号范围。PCI数据采集卡是一块位PCI总线隔离路位通用AD转换模板它可提供通道(单端SE)通道(双端DI)电压输入。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所示。主控制系统的软件设计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。软件结构如图所示其中数据采集模块控制和驱动主控制系统的PCI、PCI、PCI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卷图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DIDIDIDIDIDIDIDODOAIAIAIAOL电压L电压L电压L电流L电流L电流AIAI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AOAODODODODIDIPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom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。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。假设风速v约v约vPopt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v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v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。数据采集模块的开发该模块的软件流程图如图所示。根据图在主程序开始运行后数据采集卡的软件程序首先调用PCI、PCI和PCI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PCI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PCI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年第期图风力机输出功率和转速关系曲线图风力机旋转角速度Wr(rads)PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom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PCI数据采集卡的开关量输入输出通道。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RS串口在通图串口发送和接收报文的程序流程图创建数据帧Byte()将从设备地址写入Byte()将功能码写入Byte()将起始寄存器地址写入Byte()~Byte()将寄存器个数写入Byte(~Byte()计算校验位CRC写入Byte(~Byte()读出缓冲区数据帧校验CRC结束正确串口初始化发送报文接收报文打开串口取出Byte()~Byte()值计算得到Uab值取出Byte()~Byte()值计算得到Ucb值取出Byte()~Byte()值计算得到Iab值取出Byte()~Byte()值计算得到Icb值取出Byte()~Byte()值计算得到P值取出Byte()~Byte()值计算得到Q值取出Byte()~Byte()值计算得到COSФ值取出Byte()~Byte()值计算得到f值关闭串口否图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卷PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom过一个RS转换成RS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所示程序首先创建一个包含个字节的数组Byte然后将从设备地址(hex)写入Byte()将功能码(hex)写入Byte()将起始寄存器地址(hexhex)写入Byte()耀Byte()再将寄存器个数(hexhex)字写入Byte()耀Byte()再将CRC校验码(hexChex)字写入Byte()耀Byte()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。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所示最大功率跟踪监视画面如图所示。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。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、图、图所示。图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为最大功率跟踪理论功率曲线曲线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为变换器系统控制过程转子侧定子侧电压电流曲线曲线为定子电压曲线曲线为定子电流曲线曲线为变换器直流电容电压曲线曲线为转子电流曲线。图风场与风力机模拟系统运行画面图定子侧信号监视画面图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年第期PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom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:江泽民对中国能源问题的思考J上海交通大学学报():易跃春风力发电现状、发展前景及市场分析J国际电力():谢震张崇巍张兴等基于MPPT的变速恒频双馈风力发电控制策略J农业机械学报():李晶变速恒频双馈风力发电机组动态模型及并网控制策略的研究D华北电力大学博士论文刘其辉变速恒频风力发电系统运行与控制研究D浙江大学博士学位论文RAJIBR,RANGANATHANVTAmethodoftrackingthepeakpowerpointsforavariablespeedwindenergyconversionsystemJIEEETractionsonEnergyConversion,,():YINMing,LIGengyin,ZHOUMing,etalAnalysisandcomparisonofdynamicmodelsforthedoublyfedinductiongeneratorwindturbineJAutomationofElectricPowerSystems():李辉韩力何蓓双馈发电机最大风能捕获和转换策略的仿真J系统仿真学报():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():(责任编辑:尚丽)TheExperimentalSystem’sResearchandRealizationofVariableSpeedConstantFrequencyWindPowerGenerationwithDoublyfedInductorGenerationCAOYunfeng,CAIXu(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,China)Abstract:VariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationwithdoublyfedinductorgenerationcanobtainthemaximalwindpowertrackingandutilizethewindenergytothemaximumefficiencyunderratedwindspeedAndaboveratedwindspeed,theoutputpoweriscalm,andthedrivesystemhasgoodflexibilityaswellInordertostudythetechniqueofvariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationwithdoublyfedinductorgeneratorandrelatedelectricalcontrolinlaboratoryenvironment,themaincontrolsystemofvariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationwithdoublyfedinductorgeneratorexperimentalplatformisdesignedandimplemented,andthehardwareconfiguration,systemsoftwarestructureandfunctionmoduleofthemaincontrolsystemarediscussedindetailKeywords:windpowervariablespeedconstantfrequencymaximalwindpowertrackingmaincontrolsystem苏州市职业大学学报第卷图主控制系统最大功率跟踪运行画面图变换器系统控制过程转子侧和定子侧电压电流曲线PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwwwpdffactorycom

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