基于LabVIEW的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

梅柏杉 ，鄧德衛(wèi) ，傅闖 ，暴國(guó)輝 ，姚鋼

（1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100；3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

LabVIEW［1］是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，編程方便快捷，熟練的LabVIEW用戶所花的開(kāi)發(fā)時(shí)間，大約是熟練的C程序員的1／5左右，節(jié)省了大量的編程時(shí)間。本文采用由LabVIEW編程的控制系統(tǒng)平臺(tái)，它由美國(guó)國(guó)家儀器公司的PXI控制器和硬件模塊組成，系統(tǒng)由雙控制器組成，一個(gè)為Intel的雙核CPU，也即PXI-8108RT實(shí)時(shí)控制器；另一個(gè)為Xilinx公司的FPGA，即PXI-7854R模塊。此外PXI機(jī)箱擴(kuò)展了兩個(gè)擴(kuò)展槽，擴(kuò)展4塊9239同步隔離采集卡。用來(lái)采集電壓電流等模擬信號(hào)。PXI-8108RT實(shí)時(shí)控制器本質(zhì)上就是一臺(tái)安裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高性能電腦，所以對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算和矢量控制等復(fù)雜算法，通常放在該處理器上處理；PXI-7854R模塊上的嵌入式FPGA，方便配置輸入輸出通道，且對(duì)于可靠性要求高的場(chǎng)合，PWM驅(qū)動(dòng)脈沖由FPGA負(fù)責(zé)產(chǎn)生，充分利用CPU強(qiáng)大處理能力和FPGA高實(shí)時(shí)性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)有著非常好的實(shí)時(shí)性和可靠性，NI儀器應(yīng)用于控制領(lǐng)域也體現(xiàn)出其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。

2 網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型及控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］如圖1所示。

圖1 網(wǎng)側(cè)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of grid-side converter

變換器的交流側(cè)經(jīng)電感L濾波后并至三相電網(wǎng)，兩相dq坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為

式中：id，iq為dq坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電流分別在 d，q軸上的分量；ed，eq為電網(wǎng)電壓在d，q軸上的分量；ud，uq為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓 ui（i=a，b，c）在 d，q 軸上的分量；ω0表示dq坐標(biāo)系相對(duì)于三相靜止abc坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度。

網(wǎng)側(cè)PWM變換器矢量控制策略如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)PWM變換器矢量控制圖Fig.2 Vector control block diagram of grid-side PWM converter

網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)之間交換的有功功率Pg和無(wú)功功率Qg的表達(dá)式為

網(wǎng)側(cè)變換器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定位于電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量，q軸在旋轉(zhuǎn)方向上超前d軸90°，則電網(wǎng)電壓向量在q軸上的分量eq=0，此時(shí)有：

當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，ed也為定值，則有功功率Pg和無(wú)功功率Qg將分別由id與iq決定。只需要控制id的正負(fù)即可實(shí)現(xiàn)有功功率的雙向流動(dòng)，而q軸代表無(wú)功分量參考軸，控制iq就可以控制無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。

3 機(jī)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型及控制策略

假設(shè)dq與電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度同步旋轉(zhuǎn)且q軸超前d軸90°，將d軸定位于轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈方向，可以得到電機(jī)的定子電壓方程為［3］

式中：Rs，Ls分別為發(fā)電機(jī)的定子電阻及電感；usd，usqisd，isq分別為 d，q 軸定子電壓、電流分量；ωe為轉(zhuǎn)子電角速度；Ψf為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈。通常采用isd＝0的控制方式，則電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式（4）可知，定子的 d，q軸電流既受控制電壓usd，usq的影響， 同時(shí)還受到耦合電壓－ωeLsisq和ωeLsisd＋ωeΨf的影響。因此，電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)控制除了需要對(duì)dq軸電流分別進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制，得到相應(yīng)控制電壓之外，還需要分別加上交叉電壓補(bǔ)償項(xiàng)－ωeLsisq和 ωeLsisd＋ωeΨf，從而得到最終的 d，q 軸電壓分量 usd，usq。

發(fā)電機(jī)的功率可由下式表示：

式中：Pe為發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率；Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

由式（5）、式（6）可知，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出有功功率。而控制發(fā)電機(jī)的電流q軸分量可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，所以，將功率外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出作為發(fā)電機(jī)電流q軸分量的給定值，通過(guò)有功功率和電流雙閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制電網(wǎng)側(cè)變流器可將直流母線電壓保持在恒定值，因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直流母線上的電容充放電功率變化不大，如果再忽略變流器的損耗，則可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率經(jīng)全功率變流器后全部饋入電網(wǎng)。因此，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率可通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)側(cè)變流器回饋到電網(wǎng)的有功功率Pg來(lái)近似獲得。采用有功功率外環(huán)的電機(jī)側(cè)變流器的控制框圖如圖3所示。

圖3 機(jī)側(cè)控制策略框圖Fig.3 Control strategy block diagram of motor-side PWM converter

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)器件設(shè)計(jì)

永磁風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)如圖4所示，系統(tǒng)采用直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)帶動(dòng)永磁電機(jī)發(fā)電，采用PLC控制西門子直流調(diào)速裝置對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，PXI控制雙PWM控制器進(jìn)行功率變換。

圖4 永磁風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of PMSG wind power generation simulation platform

網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)PWM變換器采用英飛凌公司的IGBT模塊，直流側(cè)為2個(gè)電容并聯(lián)，網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)額定電壓380 V，直流側(cè)額定電壓650 V。表1為驅(qū)動(dòng)平臺(tái)相關(guān)器件具體參數(shù)。

表1 永磁風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)系統(tǒng)器件參數(shù)Tab.1 Device parameters of wind power system simulation platform

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)變換器軟件分成兩個(gè)部分，主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化、外設(shè)模塊控制寄存器初始化、用戶自定義變量初始化，中斷開(kāi)放并等待進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。主程序流程如圖5a所示。

中斷服務(wù)程序是網(wǎng)側(cè)變換器的核心部分，大部分工作都是在中斷服務(wù)程序中完成。中斷服務(wù)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要功能包括對(duì)電動(dòng)機(jī)電流電壓、直流母線電壓、永磁電機(jī)定子三相電流電壓、網(wǎng)側(cè)變換器三相電流、機(jī)側(cè)變換器三相電流、電網(wǎng)三相電壓的采樣，3s/2r變換和反變換［4］，直流電壓 PI控制，有功電流、無(wú)功電流PI控制，SVPWM［5］信號(hào)的生成和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)。中斷服務(wù)程序框圖如圖5b所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

4.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬平臺(tái)上，對(duì)網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。風(fēng)力機(jī)捕獲機(jī)械功率的數(shù)學(xué)模型［6］為

式中：R為風(fēng)輪葉片的半徑，半徑為1 m；ρ為空氣密度取 1.15；Cp為最大風(fēng)能利用系數(shù)，取0.48。

網(wǎng)側(cè)變流器直接接電網(wǎng)電壓，所有波形通過(guò)Fluke435記錄。風(fēng)速設(shè)定為漸近風(fēng)，由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)風(fēng)速模擬界面給出，風(fēng)速模擬曲線如圖6所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)4 min，初始風(fēng)速10 m/s，在120 s時(shí)風(fēng)速上升，至150 s時(shí)風(fēng)速變?yōu)?0 m/s。圖7為從網(wǎng)側(cè)逆變器測(cè)得的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率。

圖6 風(fēng)速模擬曲線圖Fig.6 Wind speed simulated curve diagram

圖7 網(wǎng)側(cè)變換器發(fā)出功率Fig.7 The power generated grid-side converter

根據(jù)風(fēng)力機(jī)捕獲機(jī)械功率的數(shù)學(xué)模型算出20 m/s風(fēng)速時(shí)捕獲最大功率理論值應(yīng)為6.933 kW，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的發(fā)電功率相差0.786 kW。實(shí)驗(yàn)中變流器損耗約為0.5 kW，此外還存在著機(jī)械傳動(dòng)損耗和電機(jī)銅耗、鐵耗等。因此，風(fēng)力機(jī)在該風(fēng)速下的實(shí)際發(fā)電量跟風(fēng)機(jī)理論最大風(fēng)能捕獲的機(jī)械功率是相近的。電機(jī)發(fā)電過(guò)程中有兩段穩(wěn)定的時(shí)期，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的風(fēng)速階段。圖8a為風(fēng)速10 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)三相電流波形，圖8b為風(fēng)速20 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)三相電流波形，此時(shí)的電流明顯比前一個(gè)風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的波形幅值大，頻率也增大了約1倍。運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)電流諧波畸變率較低，約為5.8%，電機(jī)A相電流諧波畸變率如圖9所示。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，機(jī)側(cè)變流器矢量控制策略實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能追蹤，且在恒定風(fēng)速下系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行，電流諧波畸變率低，驗(yàn)證了機(jī)側(cè)變流器控制的有效性。

圖8 電機(jī)定子三相電流波形Fig.8 Three phase current wareforms of stator

圖9 機(jī)側(cè)A相電流FFTFig.9 FFT of stator′s A phase current waveform

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，母線電壓給定值設(shè)定為650 V。從圖10中可以看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流母線電壓值約為655 V，與母線電壓給定值650 V相比偏差為0.77%，偏差值在容許的范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)控制策略很好地實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖10 直流母線電壓波形Fig.10 DC-bus voltage waveform

圖11為兩段時(shí)間內(nèi)的逆變器A相電壓電流，可以看出，無(wú)功電流給定不為零時(shí)，網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形不再完全反相，電流值由8.3 A變到10.08 A，將兩者相除可得功率因數(shù)為0.823，與圖12功率因數(shù)趨勢(shì)圖測(cè)量結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制能夠很好地調(diào)節(jié)PMSG發(fā)出的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率因數(shù)自由可調(diào)。從而驗(yàn)證了網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略是正確有效的。

圖11 網(wǎng)側(cè)逆變器A相電壓電流波形Fig.11 A phase′s voltage and current waveforms of grid-side

圖12 功率因數(shù)趨勢(shì)圖Fig.12 Power factor tendency diagram

5 結(jié)論

本文介紹了永磁發(fā)電機(jī)模擬平臺(tái)全功率變換器的數(shù)學(xué)模型及其控制原理，在此基礎(chǔ)上搭建了PMSG硬件平臺(tái)并作了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，采用基于電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制基本能實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定和網(wǎng)側(cè)變換器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，機(jī)側(cè)變流器的矢量控制策略能實(shí)現(xiàn)PMSG的穩(wěn)定運(yùn)行和最大風(fēng)能跟蹤。為實(shí)際的PMSG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制實(shí)現(xiàn)提供了一些參考依據(jù)。

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