基于变流器的风力发电系统设计与控制研究

第31卷第2期2 0 1 7年03月长沙大学学报JOURNAL OF CHANGSHA UNIVERSITYVol.31 No. 2Mar. 2 0 17基于数据流的风力发电变流系统控制软件设计刘旭\张竹娴2(1.湖南劳动人事职业学院，湖南长沙410000;2.长沙学院，湖南长沙41〇〇22)摘要:风能作为可再生能源的重要组成部分，近年来倍受关注.对于风力发电机组，并网变流系统是 决定其输出电能质量的关键环节.采用PEBB电力电子集成模块化设计方法，设计了变流系统的硬件结 构，然后应用数据流体系设计其控制软件.通过搭建的直驱风力发电变流系统实验平台，观察了有功调节、 无功调节以及在外界扰动下系统的抗干扰性能实验结果波形.实验结果表明设计的风力发电变流系统控 制策略及软件符合技术指标要求，提高了风电变流系统的工作效率及其经济效益_关键词：风力发电；变流系统;PEBB控制软件中图分类号:TM315 文献标识码:A 文章编号= 1008-4681 (2017) 02-0045 -06风能具有不稳定、具有气候性等特点，在风力发电系统 并网运行过程中,其难点在于如何更好地获取最大风能的同 时保证电能质量.当前,风力发电机组的主流结构为变速恒 频风力发电机组,其中以直驱型永磁风力发电机组应用前景 最好.它具有可靠性高、能量转换效率高、容易实现低电压穿 越、维护成本低、并网功率控制灵活等诸多优点[1’2].一般来说，为了捕获最大风能，直驱型风力发电机组通 常要跟随风速的变化而变化，导致发电机输出电压经常会发 生变化，十分不稳定.而电网电压的频率和幅值都是恒定的， 直接将发电机输出电压并到电网上肯定是不行的，因此，这 中间需要一个全功率变流器稳定发电机输出电能的质 量[3<.同时，随着人们用电水平的提高，风力机组的功率将 来会越来越大，相应地全功率变流器的功率也将不断提高, 其结构将会更为复杂，并且体积也会随之变大，这一系列的 发展趋势给风电机组的维护和设计带来了巨大地挑战.为了 能够在质量、可靠性和成本多方面对全功率变流器进行改 进，必须要发展一种综合技术来实现全功率变流器的模块化 和标准化设计.本文采用美国海军研究机构提出的PEBB电力电子集 成模块化设计方法,模块化、标准化地设计变流系统的硬件 结构，改进该电力电子系统的可靠性，降低系统的维护成本， 然后应用数据流体系设计其控制软件.1数据流软件体系将PEBB具体投入使用时,为了更好地拓宽电力电子系 统的应用范围，应该要选择合适的控制软件设计方法，以实 现模块功能的配置[6].传统的电力电子控制软件，主要采用前后台系统(Foreground/Background System)或主程序一子程 序的形式.这种软件控制方法通过构造一个主程序实现循环 结构，于循环中调用子程序实现各模块功能.这种软件结构 易于理解,但是它与硬件的相关性过大，软件的可重用性低, 设计人员在具体设计时修改和升级会十分困难，不适用于大 型的电力电子系统的软件开发.而数据流软件设计方法，以 结点作为基本计算单元，箭头表示数据的流向，以数据流图 为载体实现控制算法.它具有十分灵活的模块化设计思路, 并且每一个节点就是一个独立的执行单元，不受具体应用环 境的限制，具有高的独立性和重用性，十分适用于基于PEBB 的电力电子系统的控制软件设计.数据流软件体系，是对过程控制中数据流的“自顶向下, 逐步求精”的处理过程，只依赖于数据的来源,而不用关心数 据到来的先后顺序[5].数据流体系的典型结构可通过节点和 箭头进行表述，如图1所示.图1数据流软件体系结构图中，一个节点代表的是一个计算单元（Unit),称为基 本控制对象ECO.箭头则是一种具有缓冲功能的数据通道 (Data Channel),它表示数据流的流向只能是单向的,即只能 从源节点将数据传递到目标节点.每个节点对应一个独立的 计算单元,节点的接口在功能确定的同时进行标准化，不同 节点能够同时执行.节点可有多个输人数据来源，输出数据收稿日期=2017-02-09基金项目:2016年湖南省教育厅科学研究项目（批准号:16C0714).作者简介:刘旭(1985—），男，湖南祁东人,湖南劳动人事职业学院助理政工师，硕士.研究方向:软件工程电气信息.46长沙大学学报2017年3月也可有多个输出去向.每一个节点只有当数据到达时才被激 活，无数据时不工作[7].各个节点按照一定方式形成数据流 图，完成控制任务.我们可以看到,数据流体系中，各节点之间只有数据交 换，再无其他任何交互，使得该软件体系具有高可重用性.而 每一个节点单独完成其任务，并且可并行执行保证了该软件 体系的实时性.同时，该软件体系的数据流走向十分清晰明 了，易于设计者理解及系统维护和改进[8].应用数据流体系设计控制软件，就是将控制算法进行分解，按照一定的方式 构成一个有机整体，实现控制任务.2基于数据流的风电变流系统控制软件设计2.1直驱永磁风力发电变流系统控制结构为了提高风力发电系统的整体性能，较好实现风力发电 机组的变速恒频运行，直驱永磁风力发电机组采用双PWM 全功率变流器•PWM逆变res图2直驱永磁风力发电机组变流器主拓扑电路图中，与低速永磁同步发电机相连接的是两组桥式 PWM变流器，与网侧相连的是同样结构的两组桥式PWM变 流器.变流器中所采用的电力电子器件均由可控IGBT组成， 通过对电力电子器件通断的控制，网侧变流器起到整流器的 作用，实现对风力发电机组输出电压的整流,机侧变流器则 起到逆变器的作用，稳定直流母线电压值.2.2基于PEBB的变流系统硬件结构设计为了模块化设计变流系统的硬件结构，本文基于PEBB 技术将直驱永磁风力发电系统进行了分层设计，其层次结构 如图3所示.制,其具体设计框图如图4所示.模拟量输入电M电m检测 发电机电压检测图3基于PEBB的直驱永磁风电力发电机组 变流系统层次结构框图本文设计的基于PEBB的直驱永磁风力发电机组变流 系统共分为4层，它们分别为应用控制层、变换器控制层、 PEBB控制层以及PEBB层.其中，变流系统控制层整个变流 系统的控制核心，主要任务是完成网侧和机侧变流器的控图4变流器控制层具体设计框图 2.3风力发电变流系统控制软件具体设计变流系统控制软件的任务是完成网侧和机侧变流器的 控制，需要与上层总控制软件进行通信，并控制下层硬件结 构完成控制任务.因此，本文将风电变流系统整体的控制分 为上层总控制和下层总控制两部分,每部分由众多ECO模 块按照一定方式组合成数据流图实现，上下层之间通过CAN 总线进行通信2.3.1变流器控制层控制软件设计根据永磁直驱风电机组变流系统控制方案和基于PEBB 变流系统硬件方案，变流器控制层需要完成机侧变流器的转 速外环控制、网侧变流器的直流电压外环控制、跟机组主控 制器的实时工业以太网通信和与PEBB控制层的CAN通信, 控制软件的主要文件包括常规任务程序文件和实时控制任 务调度文件两类文件组成(如图5所示）.嵌◄—式控制器M ►应用控制层风电机组控制器变换器控制层变流系统控制器-3t-PEBB控制层PWM整流器 1控制单元PWM整流器 控制单元PWM逆变器 1控制单元PWM逆变器 1控制单元数据采集单元^ ^\7PEBB 层PWM整流 单元1PWM整流 单元2PWM逆变 单元1PWM逆变 单元2以太网络接口机组主控制器总第136期刘旭,张竹娴:基于数据流的风力发电变流系统控制软件设计47

２０１４年１１月２５日第３１卷第６期　通镶电潦强】Ｉ：　

Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏｖ．２５，２０１４，Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．６　

文章编号：１００９—３６６４（２０１４）０６—０００１—０３　

直驱式风力发电系统电网侧三电平变流器控制策略研究　

李钢’，许湘莲　，苗亚　，王舒　，唐侃　（１．武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０；２．国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京２１１１０６）　

摘要：文中论述了直驱式风力发电系统网侧变流器的特点，并建立了二极管箝位式三电平变流器的数学模型，根据　数学模型研究了直驱式风力发电系统网侧变流器控制策略，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件平台上搭建了直驱式风力发电系　统网侧变流器仿真模型，验证了直驱式风力发电系统网侧变流器的功能。同时针对电容中点不平衡问题提出了一种中点　平衡控制算法，在仿真验证后研制了实验装置，完成该算法的实验验证。　关键词：直驱式风力发电；网侧变流器；三电平ＳＶＰｗＭ调制；中点平衡控制　中图分类号：ＴＭ６１４　文献标识码：Ａ　

Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｇｒｉｄ＿Ｓｉｄｅ　Ｔｈｒｅｅ—Ｌｅｖｅ１　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

Ｉｎ　Ｄｉｒｅｃｔ—Ｄｒｉｖｅ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＬＩ　Ｇａｎｇ　，ＸＵ　Ｘｉａｎｇ－ｌｉａｎ　，ＭＩＡＯ　Ｙａ２，ＷＡＮＧ　Ｓｈｕ　０，ＴＡＮＧ　Ｋａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ；　２．ＮＡＲＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１１０６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ—ｓｉｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　ｄｉｒｅｃｔ－Ｄｒｉｖｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ　ａ　ｍａｔｈ—　ｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｏｄｅ－ｃｌａｍｐｅｄ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌ—　

基于直接功率控制的风力发电系统研究

作者：杨其恒

来源：《科学与技术》 2019年第1期

摘要：模型预测直接控制方式能够有效提高风力发电系统的运行效率，使其较为迅速的作出动态响应。为保证运行的稳定性，同时满足低谐波输出性能的相关需求，需保证采样频率的高效性。若电网长期处于不平衡状态下，系统内部电流将受到影响，使其发生畸变。为了使上述问题皆能得到有效解决，本文提出模型预测直接功率改进的相关方法，此方法不但能够在电网平衡条件下得到稳定运行，在电网不平衡条件下此方法也能较为有效的实现高效运作。

关键词：风力发电系统；直接功率控制；电网不平衡

随着我国各项工业的不断完善，环境污染问题也日渐严重，此背景下，可再生能源呈持续稳定发展趋势，在可在生能源中，无污染的能源即为风能，其能够使我国生态环境得到有效改善，因此风能也开始逐渐受到人们的广泛关注。大容量齿轮箱即为风力发电系统中较为关键的组成部分，但其运行总效率相对较低，此现象一定程度上降低了风力发电系统运行效率，使其发展受到影响。经不断改进，直驱式风力发电系统出现，此系统作为现代较为新型系统，不但能够实现直流电流和交流电流的转换，还使发电机能够同步于风轮机的直接驱动永磁，实现并网效率的提高。

1.风力发电系统的研究现状

风力机的桨叶旋转主要由自然风所带动，自然风帮助风力机实现了能量转换。自然风本身存在一定弊端，其风具备任意性及波动性等特质，较大程度上限制了风力机输出期间的机械功率。机械功率的整体控制主要在电能产生的过程中，呈现于人们的视野。风力机能够根据控制方法的不同进行具体划分，分别为变桨距、主动失速及定桨距控制型。

1.1变桨距控制型

变桨距控制型主要指风力机的桨叶通过其内部结构实现与轮毂的连接。在连接期间，若风速产生变化，桨距角能够根据变化的具体情况作出改变。由此可看出，桨距角在风力发电系统中起到较为关键的作用，其能够保证风力机的运行稳定，实现系统输出功率上的有效提高。风速本身即存在不稳定性，若风力在系统运行期间所产生的变化幅度相对较大，那么变桨距也可对风力实现实时控制，使风速得到较大程度削弱，进而降低风速对塔筒等部件所造成的影响，从而使系统的整体运行寿命得到延长。由以上分析可看出，实现功率曲线平稳、有效控制变桨距桨叶、降低整机重量等方法，能够较大程度上提高风力发电系统的核心竞争力，使其在市场竞争中占据一定位置。但变桨距控制型存在一定弊端，其要求相关人员必须精准控制系统结构与桨叶的衔接，若此期间桨距角产生任何程度的变化，都将引发系统出现事故，从而提高系统的整体维护效率。

电气传动２００８年　第３８卷　第１１期　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲ１ＶＥ　２００８　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．１　１　

风力发电并网变流器直接功率控制研究　

罗勇，金新民，童亦斌　

（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）　

摘要：针对风力发电并网变流器，研究了一种新的控制策略直接功率控制。该控制策略检测并网的电压　

与电流，计算出瞬时的有功与无功功率，与给定的有功与无功功率进行比较，根据并网电压矢量所在的扇区，　

按开关表给出开关管的控制信号。通过直接对系统的有功与无功进行控制，并网变流器能方便地实现以单位　

功率因数向电网馈送能量。对该控制策略进行了详细介绍，仿真了并网条件下的工作状况，验证了该控制策　

略的可行性。　

关键词：并网变流器；直接功率控制；风力发电　

中圈分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｔｈｒｅｅ　Ｐｈａｓｅ　ＶＳＩ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　Ｗｉｎｄ　

Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｕｓｉｎｇ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

ＬＵＯ　Ｙｏｎｇ。ｊｉＮ　Ｘｉｎ—ｍｉｎ。ＴＯＮＧ　Ｙｉ—ｂｉｎ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｈｒｅｅ　ｐｈａｓｅ　ＶＳＩ　ＰＷＭ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎ—　

ｔｅｄ．Ｂｙ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｒｅ—　

ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｅｒｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｇｉｖｉｎｇ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ