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变速恒频双馈异步发电机组的控制技术

2006/5/8 9:33:00

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[摘 要]:基于8XC196MC单片机的双馈风力发电机组控制系统,由两个不同变流器、复合斩波器、双馈电机、8XC196MC微控制器系统等组成。运行时机组的两个控制环同时工作,实现变速恒频。低于额定风速时,通过整流器及逆变器控制双馈异步发电机的电磁转矩,实现对风力机的转速控制;反之采用节距调节的方法除去多余的能量。1 引言
风力发电是一种可开发利用能源,以其无污染性、可再生性受到重视。变速恒频风力发电机组已成为大型风力发电机组主流机型,有可能取代恒速恒频风力发电机组而成为风力发电的主力机型。
2 变速恒频发电机组的特点
风力发电机进行并网发电时,要求风力发电机的输出频率与电网频率一致。保持风力发电机频率恒定的方法有两类:恒速恒频和变速恒频。变速恒频发电机组较之与恒速恒频发电机组的优越:低风速时,它能根据风速的变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高速时,利用风轮转速的变化,储存或释放部分风量,使功率输出更加平稳。
为达到变速恒频控制要求,变速恒频发电机组通常包括变速恒频发电机、整流器、逆变器和变桨距结构。变速恒频发电机是核心部件,有双馈异步发电机和带变频的同步发电机两种,目前主要采用双馈异步发电机。
3 变速恒频双馈异步发电机组的控制特性
变速恒频双馈发电机是集空气动力、电机制造、液压传动、电力电子技术、计算机控制技术为一体的新型风力发电机。该种风力发电机的核心技术是基于电力电子和计算机控制技术的控制系统设计。双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。其基本结构框图如图1所示。



3.1双馈异步发电机的工作原理
在低于额定风速时,通过整流器及逆变器控制双馈异步发电机的电磁转矩,实现对风力机的转速控制;在高于额定风速时,采用节距调节的方法除去多余的能量。这时机组有两个控制环(内部的发电机转速、外部的桨叶节距控制环)同时工作。


3.2双馈异步发电机微机控制系统
基于8XC196MC单片机的变速恒频双馈异步发电控制系统,由变流器Ⅰ、变流器Ⅱ、复合斩波器、双馈电机、8XC196MC微控制器系统等组成。基于8XC196MC的微机控制系统由8XC196MC芯片、PC机通信模块、PWM信号驱动及隔离模块、传感器输出信号处理模块、状态监控及故障处理模块,显示、键盘模块及继电器控制模块等组成。
采用整流端可控的对称交直交变换器,由8XC196MC单片机组成控制系统进行双PWM控制,解决了传统交直交变换器无法进行能量双向流动的问题。实现了在次同步和超同步转速两种状态下变速恒频,提高了整流功率因素,输入电流波形得以改善。除将传统HIS/HSO端口保留并改进为事件处理器外,还增加了能直接输出三相PWM波的波形发生器WG。波形发生器WG直接输出6路120°互补PWM信号控制逆变部分,事件处理器EPA也通过软件高速输出6路120°互补PWM信号控制整流部分,圆满解决了双PWM控制的问题。
在低于同步速时,波形发生器WG直接输出三相6路互补的PWM控制信号,经IR2132模块驱动控制发电机转子侧的变流器Ⅰ,产生相应频率、幅值的励磁电流。在同步速附近和超同步速一小段速度范围内,为做到系统稳定运行且让馈入反相序的励磁电流平滑连续,则可向转子馈入超低频的交流电,也可馈入直流电。在超同步速时,转子发出的电势经升压斩波,由变流器Ⅱ逆变回馈入电网。


控制软件由主程序、负责逆变端PWM控制的波形发生子程序、负责整流端PWM控制的EPA发生子程序、软件定时子程序及功能子程序组成。
4 结论
采用8XC196MC单片机为控制核心的变速恒频双馈风力发电机控制系统,实现了对变速恒频双馈风力发电机的基本控制。

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