風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái).doc

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)及20KW試驗(yàn)平臺(tái) 總體方案目 錄第一部分 主機(jī)控制器平臺(tái)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第二部分 監(jiān)控系統(tǒng)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第三部分 變頻勵(lì)磁器子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第四部分 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案第一部分 主機(jī)控制器平臺(tái)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案一、 設(shè)計(jì)方案以及應(yīng)達(dá)到的功能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述風(fēng)電主機(jī)控制器平臺(tái)為大中型風(fēng)電機(jī)組主控制系統(tǒng)提供軟硬件支撐，項(xiàng)目包括面向兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整主控軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)也可以通過硬件配置和軟件調(diào)整適用于其它容量的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)。主控硬件采用模塊化可配架構(gòu)，并具有分布式特點(diǎn)，主控可以安裝在機(jī)艙，也可以分別布置在機(jī)艙和塔底中。控制器具有符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言功能，以實(shí)現(xiàn)主控邏輯編程。主控支持光纖以太網(wǎng)接口，并支持IEC 61400-25和Modbus/TCP協(xié)議與監(jiān)控系統(tǒng)通訊?？刂破髦鰿PU通過總線與各種智能IO模塊或分布式裝置通訊，控制器平臺(tái)提供多種IO接口模塊，支持交流電流電壓信號(hào)采集、直流模擬量信號(hào)采集、RTD溫度采集、開關(guān)量輸入信號(hào)采集、高速脈沖信號(hào)采集、開關(guān)量光藕和繼電器輸出、以及模擬量輸出等功能。IO模塊的種類以及每個(gè)模塊的IO數(shù)量需要根據(jù)不同機(jī)組和控制系統(tǒng)需求總結(jié)歸納，按合理數(shù)量配置設(shè)計(jì)。主控的軟件算法在低風(fēng)速下最大功率跟蹤主要采用以下兩種方法：跟蹤最佳Cp值的比例系數(shù)（Kopt）和模糊算法。高風(fēng)速下主要采用比例積分（PI）算法，通過改變漿葉節(jié)距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，將功率的輸出限制在允許范圍內(nèi)。2. 功能和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)風(fēng)力發(fā)電主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場(chǎng)的模塊，對(duì)電網(wǎng)、風(fēng)況及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并與其他功能模塊保持通信，對(duì)各方面的情況綜合分析后，發(fā)出各種控制指令。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主控器控制與監(jiān)控功能框圖參見圖1。主控除了圖1描述的總體功能外，還包括以下主要功能：自檢，高、低風(fēng)速下的控制策略和算法，故障處理，通信，人機(jī)接口，安全鏈設(shè)計(jì)，溫度控制，機(jī)械振動(dòng)控制以及其它輔助信號(hào)采集與控制等。主控制器需正確控制風(fēng)機(jī)在運(yùn)行、暫停、停機(jī)和急停四種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。主控軟件根據(jù)機(jī)組所處的狀態(tài)，按設(shè)定的控制策略對(duì)調(diào)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、變漿距系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及逆變系統(tǒng)等進(jìn)行操作和控制，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。圖2所示為風(fēng)機(jī)在4種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換順序圖，提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地升，降低則可以是一層或多層。關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：1) 運(yùn)行溫度范圍：-3055;2) 交流測(cè)量精度：電流、電壓 0.5%；有功、無功、功率因素1%；3) 直流模擬量測(cè)量精度：0.2%；4) 直流模擬量輸出精度：0.5%；5) RTD測(cè)量精度：0.5%；6) 電磁兼容性能：標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)GB/T 17626.2-2006 靜電放電抗擾度試驗(yàn)4GB/T 17626.3-2006 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)X(20V/m）GB/T 17626.4-1998 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)4GB/T 17626.5-1999 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)4GB/T 17626.6-1998 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)3GB/T 17626.8-2006 工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)5GB/T 17626.9-1998 脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)5GB/T 17626.10-1998 阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)5GB/T 17626.12-1998 振蕩波抗擾度試驗(yàn)4GB9254-1998 輻射發(fā)射限值試驗(yàn)A類7) 振動(dòng)（正弦）響應(yīng)、耐久：滿足GB/T 11287-2000的2級(jí)；8) 沖擊響應(yīng)、耐受，碰撞：滿足GB/T 14537-1993的2級(jí)；9) 使用壽命：20年；10) 平均無故障工作時(shí)間（MTBF）：50000h。3. 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)：1) 主控制器能正確控制風(fēng)機(jī)在運(yùn)性、暫停、停機(jī)和緊停四種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。特別是在外部環(huán)境惡化、電網(wǎng)故障或者風(fēng)機(jī)內(nèi)部故障等情況下，主控制器能安全保護(hù)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行或者安全停機(jī)、緊急停機(jī)。要正確控制風(fēng)機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，需要首先界定每個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)每個(gè)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)各部件的工作情況；其次要研究狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件；最后需要研究轉(zhuǎn)換過程中的控制策略。2) 低風(fēng)速下的最大功率跟蹤控制策略。通常對(duì)轉(zhuǎn)速的控制是通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制來實(shí)現(xiàn)的，其控制策略有兩種，分別是間接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理論上DSC優(yōu)于ISC，但是這兩種控制策略以及模糊邏輯控制等策略在實(shí)際應(yīng)用中的效果和優(yōu)劣還需要加以研究。3) 在風(fēng)速到達(dá)和超過額定風(fēng)速時(shí)，在保證轉(zhuǎn)矩和功率不超限值的前提下，保證功率輸出穩(wěn)定，減少波動(dòng)。通常采用兩個(gè)方法控制風(fēng)輪的功率：一是控制變速發(fā)電機(jī)的反力矩，通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)輪的葉尖速比，使風(fēng)輪工作在較低的功率系數(shù)點(diǎn)上；二是改變漿葉節(jié)距角，使葉片主動(dòng)失速以改變空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。這兩種方法都是可行的，且都對(duì)應(yīng)了比例積分控制和干擾調(diào)節(jié)控制等控制策略。這些控制策略都需要建立在模型分析的基礎(chǔ)上，理論性較強(qiáng)，是該項(xiàng)目開發(fā)研制中的一大難點(diǎn)。4) 偏航和扭纜限制方面需要考慮較優(yōu)的控制策略，防止風(fēng)向波動(dòng)造成的偏航頻繁啟動(dòng)。5) 抑制可能引起機(jī)械共振的頻率。6) 電力參數(shù)檢測(cè)的快速故障判別。7) 控制系統(tǒng)的安全鏈設(shè)計(jì)。8) 控制策略和參數(shù)便于配置，能適應(yīng)不同的主機(jī)。9) 主控制器與其它部件的接口軟硬件需具備足夠的靈活性，可接入多種型號(hào)的其它部件。10) 風(fēng)機(jī)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)。11) 主控制器需小型化和輕量化，滿足機(jī)艙的安裝要求。12) 主控制器硬件需適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的溫度、濕度、電磁和振動(dòng)等環(huán)境，并能達(dá)到20年使用壽命。同時(shí)應(yīng)具有很高的可靠性，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，滿足無人值守的要求。13) 主控制器的電磁兼容等級(jí)比較高，需要在電磁兼容方面有更多的考慮。二、 項(xiàng)目?jī)?nèi)容和實(shí)施方案1. 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容1) 主控硬件架構(gòu)主控制器的硬件體系采用模塊化靈活可配的多層次架構(gòu)，最底層硬件為IO模塊，裝置級(jí)有兩種層次，較低層次的是IO擴(kuò)展裝置，最高層次的是主控裝置，具體參見圖3。2) 主控邏輯總框圖主控邏輯軟件主要用IEC 61131-3語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，主體流程參見4。各主要功能研究?jī)?nèi)容如下：a) 停機(jī)風(fēng)機(jī)處于不運(yùn)行的狀態(tài)，其主要的漿距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等都處于停止?fàn)顟B(tài)；漿葉處于制動(dòng)固定狀態(tài)。風(fēng)機(jī)由停機(jī)狀態(tài)到開機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件為接收到開機(jī)指令。b) 開機(jī)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)的溫控和液壓系統(tǒng)并工作一定時(shí)間；當(dāng)主控檢測(cè)到各部分（變漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控、逆變系統(tǒng)）沒有故障、電網(wǎng)正常，且風(fēng)速情況滿足一定條件并持續(xù)相當(dāng)時(shí)間后，風(fēng)機(jī)將松開剎車；當(dāng)風(fēng)機(jī)松開剎車后，開機(jī)狀態(tài)進(jìn)入到自檢狀態(tài)。c) 自檢自檢過程包括，檢查偏航系統(tǒng)的各個(gè)位置開關(guān)；檢查變漿系統(tǒng)的各個(gè)位置開關(guān)。完成自檢后，邏輯轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)。d) 待機(jī)待機(jī)狀態(tài)開始，漿距角將轉(zhuǎn)向45度角，以提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；且隨著轉(zhuǎn)速的提高，不斷減小漿距角，使得風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速的70%90%。該狀態(tài)下風(fēng)機(jī)各部分都已就緒，但雙饋電機(jī)勵(lì)磁尚未建立，定子還未建立三相電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于所整定的勵(lì)磁轉(zhuǎn)速窗內(nèi)一段時(shí)間后，邏輯由待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于帶機(jī)狀態(tài)持續(xù)一定時(shí)間，且始終不能滿足切入條件時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。e) 勵(lì)磁主控制器對(duì)逆變控制器下達(dá)起勵(lì)指令，逆變控制器開始轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，并通過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的矢量控制調(diào)整，使得定子三相電壓的幅值、頻率和相位逼近電網(wǎng)；當(dāng)定子電壓和電網(wǎng)完成同步后，逆變系統(tǒng)將勵(lì)磁完成指令反饋給主控制器。當(dāng)主控制器接收到反饋指令后，狀態(tài)轉(zhuǎn)為并網(wǎng)。f) 并網(wǎng)主控制器接到勵(lì)磁反饋后，將下令逆變控制器投同期，逆變控制器開出投同期裝置，合主斷路器，完成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)。并網(wǎng)完成后逆變控制器反饋給主控制器并網(wǎng)成功節(jié)點(diǎn)信號(hào)，邏輯轉(zhuǎn)為低風(fēng)速狀態(tài)。g) 低風(fēng)速低風(fēng)速下，主控制器執(zhí)行最大功率曲線跟蹤的控制。根據(jù)環(huán)境和風(fēng)機(jī)自身狀態(tài)確定最大功率點(diǎn)，并向逆變控制器下達(dá)執(zhí)行命令。由低風(fēng)速向高風(fēng)速轉(zhuǎn)換的條件為特定風(fēng)速點(diǎn)或者特定轉(zhuǎn)速。由低風(fēng)速向切出轉(zhuǎn)換的條件為風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間低于某個(gè)數(shù)值或者發(fā)電量長(zhǎng)時(shí)間低于某個(gè)功率下限。h) 切出切出過程中主控制器將給逆變控制器下達(dá)有功無功調(diào)到接近零的指令，并在合適的轉(zhuǎn)速條件下下達(dá)脫網(wǎng)指令，使主斷路器跳開，逆變控制器反饋切出成功的信號(hào)。當(dāng)逆變控制器反饋切出成功的信號(hào)后，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，重新等待切入并網(wǎng)的時(shí)機(jī)。i) 關(guān)機(jī)2主控制器向逆變控制器下達(dá)滅磁指令，并投入剎車系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零后投入剎車固定系統(tǒng)。最終關(guān)閉溫控、液壓等系統(tǒng)，使得風(fēng)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)相應(yīng)需要關(guān)閉的系統(tǒng)都成功反饋關(guān)閉后，邏輯進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。j) 高風(fēng)速高風(fēng)速下，主控制器執(zhí)行變漿控制，且通過改變風(fēng)輪功率曲線的工作點(diǎn)，來控制風(fēng)機(jī)保持額定功率運(yùn)行，防止風(fēng)機(jī)過負(fù)荷。主控制器對(duì)漿距控制器下達(dá)變漿指令，并對(duì)逆變控制器下達(dá)功率或者轉(zhuǎn)速的指令。當(dāng)風(fēng)速大于某個(gè)上限或者轉(zhuǎn)速大于某個(gè)上限時(shí)，風(fēng)機(jī)將脫網(wǎng)切出，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)機(jī)1。當(dāng)風(fēng)速小于某個(gè)值或者轉(zhuǎn)速小于某個(gè)值時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低風(fēng)速。k) 關(guān)機(jī)1主控制器將給逆變控制器下達(dá)有功無功調(diào)到接近零的指令，并同時(shí)變漿剎車。在合適的轉(zhuǎn)速條件下下達(dá)脫網(wǎng)指令，使主斷路器跳開，逆變控制器反饋切出成功的信號(hào)。而后主控制器向逆變控制器下達(dá)滅磁指令，并投入盤式剎車系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零后投入剎車固定系統(tǒng)。最終關(guān)閉溫控、液壓等系統(tǒng)，使得風(fēng)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)相應(yīng)需要關(guān)閉的系統(tǒng)都成功反饋關(guān)閉后，邏輯進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。3) 低風(fēng)速控制策略由風(fēng)輪機(jī)的功率輸出特性可知，一定風(fēng)速情況下只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，能使風(fēng)輪機(jī)的輸出功率達(dá)到最大。當(dāng)在低風(fēng)速下，風(fēng)輪機(jī)的最大輸出功率不會(huì)超過發(fā)電機(jī)額定功率。如果能通過控制將風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到這個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)速，并且能隨著風(fēng)速的變化而跟隨著變化，則風(fēng)機(jī)將始終保持最大的功率輸出，這也就是低風(fēng)速下最大功率跟蹤的問題。最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)方式基本可以總結(jié)為以下兩種，此兩種方式當(dāng)前都有實(shí)際的運(yùn)用：a) 傳統(tǒng)的基于Kopt參數(shù)的最大功率跟蹤。b) 基于模糊算法的最大功率跟蹤。4) 高風(fēng)速控制策略風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速運(yùn)行可使機(jī)組在風(fēng)速大范圍內(nèi)變化時(shí)增加能量獲得，但是在高風(fēng)速下，能量的獲取將受到機(jī)組物理性能的限制。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和能量轉(zhuǎn)換必須低于某個(gè)極限值，否則發(fā)電機(jī)組各部分的機(jī)械和疲勞強(qiáng)度就受到挑戰(zhàn)。因此在高風(fēng)速下，當(dāng)風(fēng)速做大幅度變化時(shí)，保持發(fā)電機(jī)恒定的功率輸出，并使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的柔性，是高風(fēng)速時(shí)控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)。在這一運(yùn)行區(qū)域，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，將功率的輸出限制在允許范圍內(nèi)；同時(shí)適當(dāng)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能隨功率輸入做快速變化，這樣發(fā)電機(jī)就可以在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)工作并保持傳動(dòng)系統(tǒng)良好的柔性。通常采用兩個(gè)方法控制風(fēng)輪的功率系數(shù)，一是控制變速發(fā)電機(jī)的反力矩，通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)輪葉尖速比；二是改變漿葉的節(jié)距角以改變空氣動(dòng)力功率系數(shù)，由圖可以看出通過調(diào)節(jié)漿距角就能調(diào)節(jié)功率系數(shù)，調(diào)節(jié)了功率輸出。對(duì)于定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉片與輪轂的連接是固定的，即葉片節(jié)距角不能調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)速大于風(fēng)輪的設(shè)計(jì)額定點(diǎn)時(shí)，葉片自動(dòng)將功率限制在額定功率一下，這樣的特性稱為自動(dòng)失速調(diào)節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的控制程序，葉片和輪轂之間沒有運(yùn)動(dòng)部件；缺點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組的性能受葉片失速性能的限制，啟動(dòng)風(fēng)速較高，在風(fēng)速超過額定值時(shí)發(fā)電功率有所下降。而變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是：葉片的漿距角可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可以通過變距來獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)風(fēng)速高時(shí)，葉片可以沿縱軸方向旋轉(zhuǎn)，改變氣流攻角，從而改變風(fēng)機(jī)功率系數(shù)，以保持一定的輸出功率。其特點(diǎn)是輸出功率穩(wěn)定，機(jī)組結(jié)構(gòu)受力小，停機(jī)安全；缺點(diǎn)增加了變漿距機(jī)構(gòu)，增加故障率，控制程序比較復(fù)雜。顯然，變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)更具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)，變漿距調(diào)節(jié)提供了較好的輸出功率品質(zhì)。這里介紹通過改變漿葉節(jié)距角來限制功率系數(shù)，以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行是對(duì)各種物理量進(jìn)行限制的要求。變漿距系統(tǒng)限制功率輸出的系統(tǒng)圖如圖5所示。5) 風(fēng)電主控其他邏輯組成a) 偏航邏輯偏航系統(tǒng)使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；且當(dāng)由于偏航作用機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞。其主要邏輯框圖如圖6。b) 液壓邏輯風(fēng)電主控需要對(duì)液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等進(jìn)行控制。液壓系統(tǒng)主要用于風(fēng)機(jī)的偏航驅(qū)動(dòng)、變漿驅(qū)動(dòng)（電變漿距除外）、剎車系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)的控制邏輯如圖7所示。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力小于P1時(shí)，主控制器開出驅(qū)動(dòng)油泵增壓，系統(tǒng)處于圖8所示狀態(tài)；當(dāng)壓力大于P2時(shí)，主控制器開出停止油泵增壓，液壓系統(tǒng)由于正常泄露或者電磁閥工作而壓力不斷降低，系統(tǒng)處于狀態(tài)；當(dāng)由于溫度升高等原因，壓力會(huì)超過P2，此時(shí)系統(tǒng)處于狀態(tài)；當(dāng)壓力超過P3時(shí)，則主控制器開出控制旁路溢流閥開啟以降低系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)處于狀態(tài)。c) 溫控邏輯溫控系統(tǒng)則主要用于監(jiān)視逆變系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)等部件的溫度，并采用液冷、風(fēng)冷或者加熱器來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，保證風(fēng)機(jī)在正常溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。控制邏輯如圖9所示。當(dāng)溫度在正常的T2至T3范圍之內(nèi)時(shí)，溫控系統(tǒng)不啟動(dòng)；當(dāng)溫度低于T2時(shí)，主控制器開出控制加熱器工作；當(dāng)溫度高于T3時(shí)，開出控制風(fēng)輪或者液冷裝置冷卻；當(dāng)溫度異常超出T1和T4的上下限時(shí)，主控制器告警，并執(zhí)行停機(jī)指令。6) 安全鏈設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，所有可預(yù)期的事故都能做出正確、迅速的響應(yīng)。所以一旦計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)檢測(cè)到一些極端條件發(fā)生時(shí)，能迅速作出相應(yīng)對(duì)策，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于一種安全的狀態(tài)，以此來有效保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。而安全鏈存在的目的是，作為計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)的一個(gè)有效后備。當(dāng)計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)對(duì)極端條件響應(yīng)失敗時(shí)，能接管計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)，對(duì)嚴(yán)重或者潛在的致命故障迅速產(chǎn)生響應(yīng)，及時(shí)緊急停機(jī)，保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。它是獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最后一級(jí)保護(hù)措施。安全鏈設(shè)計(jì)時(shí)，將可能對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成的致命傷害的故障接點(diǎn)串聯(lián)成一個(gè)回路，一旦其中一個(gè)動(dòng)作，將引起緊急停機(jī)反應(yīng)。安全鏈設(shè)計(jì)的原則是：1盡可能的獨(dú)立于計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)；2純硬接點(diǎn)搭建，當(dāng)安全鏈作用時(shí)，沒有計(jì)算機(jī)或微處理器參與邏輯判斷和運(yùn)算；3采用反邏輯設(shè)計(jì)。在安全鏈中的所有硬接點(diǎn)，當(dāng)外部條件處于安全時(shí)，硬接點(diǎn)閉合，一旦外部條件處于極限時(shí)或者傳感器失效時(shí)，接點(diǎn)斷開，導(dǎo)致緊急停機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)一般將如下傳感器的信號(hào)接在緊急安全鏈中：手動(dòng)緊急停止按鈕、計(jì)算機(jī)主控器看門狗、顯示葉尖擾流器的壓力繼電器、扭纜傳感器、振動(dòng)傳感器、控制器DC24V電源失電、風(fēng)輪過轉(zhuǎn)速或電機(jī)過轉(zhuǎn)速傳感器等。在緊急停機(jī)后，所有的繼電器、接觸器失電，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列（發(fā)電機(jī)主接觸器跳開），機(jī)械剎車與氣動(dòng)剎車同時(shí)動(dòng)作。在緊急停機(jī)后，只能手動(dòng)復(fù)位才能重新啟動(dòng)。2. 理論研究與試驗(yàn)1) 建設(shè)風(fēng)力Matlab及相關(guān)的仿真系統(tǒng)建立風(fēng)輪機(jī)、變速箱、雙饋發(fā)電機(jī)和主控制器、逆變系統(tǒng)等的Matlab仿真模塊，在Matlab平臺(tái)上測(cè)試和驗(yàn)證各控制策略，為實(shí)物模擬系統(tǒng)的建立做準(zhǔn)備。2) 建設(shè)風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)，提供理論研究和試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)20KW風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、漿距和葉輪氣動(dòng)特性計(jì)算捕捉風(fēng)能，用直流電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)模擬葉輪輸入機(jī)械功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，驅(qū)動(dòng)雙饋異步發(fā)電機(jī)。3) 消化吸收引進(jìn)主控制器技術(shù)在可能的情況下，獲取1.5MW風(fēng)機(jī)主控制器源程序，消化吸收后開發(fā)1MW2MW自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的主控制器程序。4) 通過試運(yùn)行工程實(shí)施，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。三、 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)性分析風(fēng)電主控的技術(shù)難度主要體現(xiàn)在針對(duì)不同風(fēng)機(jī)的控制策略和算法上，在其它輔助控制上，不同接口的程序適應(yīng)性在工程實(shí)施時(shí)難度也很大，很多廠家不愿提供詳細(xì)的葉片參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，因此研究清楚并實(shí)施整套風(fēng)電主控系統(tǒng)的難度很大，必將投入很多人力、物力并花費(fèi)時(shí)間，而且工程實(shí)施難度非常大，工程經(jīng)驗(yàn)要求高，另外為了獲得穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)主控各種零部件的選型、主控軟硬件設(shè)計(jì)也都提出很高要求。因此，解決這個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的有效措施是尋求技術(shù)合作方，拿到成熟可靠并且通過運(yùn)行驗(yàn)證的源程序分析研究，或者是加強(qiáng)和主機(jī)廠家的合作，共同開發(fā)成熟的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。四、 預(yù)期目標(biāo)和成果1. 項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)及水平開發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水平的變速恒頻風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)。2. 成果形式1) 主控制器樣機(jī)2) 階段研究報(bào)告3) 生產(chǎn)調(diào)試用圖紙、資料、工藝文件、目標(biāo)程序4) 開發(fā)過程文檔、源程序、編譯說明、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)5) 用戶文檔，包括說明書6) 檢測(cè)報(bào)告、試運(yùn)行報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)報(bào)告7) 相關(guān)專利8) 驗(yàn)收?qǐng)?bào)告第二部分 監(jiān)控系統(tǒng)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案一、 設(shè)計(jì)方案以及應(yīng)達(dá)到的功能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)采用一體化思路，將各機(jī)組測(cè)量控制信息、變電站監(jiān)控與公用信息集成到一個(gè)平臺(tái)上，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)分三部分，分別是：1. 機(jī)組控制器網(wǎng)絡(luò)：?jiǎn)卧獧C(jī)組控制器的相關(guān)信息通過該網(wǎng)絡(luò)接入；2. 變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（包括各種電網(wǎng)線路保護(hù)裝置、元件保護(hù)裝置）；3. 其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息：硬接點(diǎn)信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)由對(duì)應(yīng)的I/O通道接入中間控制器DPU組；智能設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)總線接入通信網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的控制器、升壓變電站電氣控制裝置根據(jù)對(duì)應(yīng)裝置通信接口的具體模式與通信網(wǎng)關(guān)通信，由通信網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換與多裝置信息匯總，然后通信網(wǎng)管再與SCADA系統(tǒng)通信，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及控制功能。每套單元風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)（10M/100M光纖以太網(wǎng)）與SCADA監(jiān)控系統(tǒng)連接，達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有單元機(jī)組監(jiān)控的目的。在這個(gè)系統(tǒng)中通信網(wǎng)關(guān)是橋梁，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換與集中匯總的功能。SCADA系統(tǒng)接入所有單元機(jī)組、變電站與其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息。AS可以實(shí)現(xiàn)必要的控制?；诂F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息管理系統(tǒng)目標(biāo)是搭建一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)各項(xiàng)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息共享、交換、傳輸平臺(tái)；提供遠(yuǎn)程分布終端綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)多協(xié)議中央監(jiān)控系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，故障診斷系統(tǒng)以及缺陷跟蹤系統(tǒng)。圖1 風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖二、 項(xiàng)目?jī)?nèi)容和實(shí)施方案1. 研究?jī)?nèi)容的詳細(xì)說明主要研究單元風(fēng)電機(jī)組人機(jī)接口HMI和監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)屬于分散控制系統(tǒng)的范疇，需要多方的配合，應(yīng)放到電場(chǎng)建設(shè)初期去考慮設(shè)計(jì)和方案。1) 單元風(fēng)電機(jī)組HMI實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的就地監(jiān)控和操作。提供所有機(jī)組重要運(yùn)行畫面，數(shù)據(jù)一覽表，軟手操，數(shù)據(jù)記錄及存檔，報(bào)警等功能；記錄起動(dòng)和停機(jī)過程中的參數(shù)；記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總工作時(shí)間、產(chǎn)出和消耗。2) 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)光纖以太網(wǎng)提供了高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，風(fēng)力機(jī)組控制器應(yīng)采用雙以太網(wǎng)冗余構(gòu)架、MODBUS/IP協(xié)議，傳輸速率達(dá)100Mbps，最大傳輸距離為20KM。2. 單元機(jī)組HMI功能主要顯示機(jī)組工作狀態(tài)、功率曲線、運(yùn)行畫面以及對(duì)應(yīng)的報(bào)表、趨勢(shì)與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。HMI（人機(jī)操作界面）主要包括以下幾個(gè)方面：1) 顯示過程畫面用于單元機(jī)組的運(yùn)行；風(fēng)電機(jī)組的工藝過程畫面是以工藝過程為基礎(chǔ)?？紤]到操作、診斷、指導(dǎo)等各方面的要求而設(shè)計(jì)的過程監(jiān)視系統(tǒng)。HMI能綜合顯示字符和圖形信息，操作人員完全可以利用鼠標(biāo)通過CRT的畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過程的操作和監(jiān)視。(每幅)畫面都能顯示過程變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)更新一次。數(shù)據(jù)或圖形的顯示隨過程狀態(tài)而變化。棒圖和趨勢(shì)圖可以在任意畫面的任意位置顯示。控制系統(tǒng)的所有測(cè)點(diǎn)，包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、中間變量和計(jì)算值都可以在畫面上顯示。對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，還包括顯示位號(hào)、文字說明、工程單位、高低限值等。HMI提供的標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面有報(bào)警顯示、趨勢(shì)顯示、成組顯示等。2) 過程趨勢(shì)顯示能夠提供1000點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)和1000點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示。趨勢(shì)顯示可以用整幅畫面顯示，也可在任何其他畫面的任意部位以任意尺寸顯示。所有模擬量信號(hào)及計(jì)算值，均可設(shè)置為趨勢(shì)顯示。在同一幅CRT畫面上，在同一時(shí)間軸上，采用不同的顯示顏色，能同時(shí)顯示多個(gè)模擬量數(shù)值的趨勢(shì)。在一副趨勢(shì)顯示畫面里，運(yùn)行人員可重新設(shè)置趨勢(shì)變量、趨勢(shì)顯示數(shù)目、時(shí)間標(biāo)度、時(shí)間基準(zhǔn)和趨勢(shì)顯示的顏色。每個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線包括600個(gè)實(shí)時(shí)趨勢(shì)值，時(shí)間分辨率為0.5秒。時(shí)間標(biāo)度可由運(yùn)行人員選擇。趨勢(shì)顯示畫面還同時(shí)用數(shù)字顯示出變量的數(shù)值。3) 過程報(bào)警的處理過程事件報(bào)警發(fā)生在自動(dòng)過程中，例如過程信號(hào)超出極限。4) 過程與系統(tǒng)事件的記錄所有記錄使用可編輯的標(biāo)題，可按業(yè)主指定的格式，確定所有的記錄標(biāo)題。記錄功能可由程序或運(yùn)行人員指令控制。數(shù)據(jù)庫(kù)中具有的過程點(diǎn)均可以記錄。5) 歷史數(shù)據(jù)的歸檔與恢復(fù)在任何存儲(chǔ)媒介中存儲(chǔ)趨勢(shì)，記錄和標(biāo)簽數(shù)據(jù)，可以支持三種存儲(chǔ)媒介：標(biāo)準(zhǔn)的磁盤，磁帶機(jī)或光盤，被存檔的趨勢(shì)及記錄數(shù)據(jù)可以很容易地被重讀到歷史站中，并可打印和顯示出來。6) 系統(tǒng)診斷可以把單元機(jī)組內(nèi)各個(gè)設(shè)備的結(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示出來，它們包括系統(tǒng)內(nèi)所有的控制，數(shù)椐采集和通訊模件，終端操作臺(tái)及電源系統(tǒng)。還可提供模件的狀態(tài)報(bào)告，該報(bào)告可列出各個(gè)IO點(diǎn)的故障、以便維護(hù)。3. HMI組成1) 操作站選用工業(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)，板上集成Intel Pentium M處理器，12.1SVGA TFT LCD，鎂鋁外殼機(jī)架鋁合金壓模超薄設(shè)計(jì)，無風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，前面板符合NEMA4/IP65標(biāo)準(zhǔn)，支持Microsoft Windows XP/CE.NET/XP Embedded，向下I/O接線，自動(dòng)RS-485數(shù)據(jù)流控制，支持千兆以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)。2) 監(jiān)控組態(tài)軟件監(jiān)控軟件選用WIN CC視窗控制中心，特點(diǎn)如下：WINCC是SIEMENS公司與MICROSOFT公司共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）軟件，它基于Windows NT操作系統(tǒng)，可中文環(huán)境運(yùn)行，也可以西文環(huán)境運(yùn)行。其性能、功能和開放性均達(dá)到當(dāng)今工業(yè)控制的先進(jìn)水平。WINCC是當(dāng)今主流軟件之一，它不僅功能強(qiáng)大、易于使用、安全性好，而且全面開放、擴(kuò)展靈活、性價(jià)比高，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)?shù)挠脩艋A(chǔ)，無技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。WINCC可與多種控制器和PLC無縫連接，既可滿足單元風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的要求，也能滿足全廠的監(jiān)控系統(tǒng)要求，避免重復(fù)投資。3) 通訊組件選用西門子CP系列通訊卡件，用于有 PCI 插槽的短 PCI 卡（32 位）。到PC 的數(shù)據(jù)傳輸速率 19.2/38.4 kbit/s；RS485、MPI/DP的數(shù)據(jù)傳輸速率 19.2 kbit/s 到 1.5 Mbit/s4. 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)目前可做的、且沒有技術(shù)壁壘的就是HMI，主要用于顯示單元機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和過程畫面。風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)涉及眾多子系統(tǒng)，包括各單元機(jī)組的監(jiān)控、變電站系統(tǒng)監(jiān)控、以及其它電場(chǎng)設(shè)備等，規(guī)模大，系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)要求很高，需要風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主單位的配合，和所有設(shè)備供應(yīng)商提供必要的接口，以便系統(tǒng)互聯(lián)。三、 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)性分析技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要來自于初始階段的技術(shù)要求及工藝流程，需要風(fēng)機(jī)成套廠家提供必要的機(jī)組工藝及特性。研發(fā)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闆]有對(duì)應(yīng)案例可借鑒，時(shí)間緊迫，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。四、 預(yù)期目標(biāo)和成果形式最后成果為適用于單元風(fēng)機(jī)的人機(jī)操作界面，可實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的就地啟停操作、轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制、過程監(jiān)視等功能，同時(shí)為風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：l 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程DL/T 666-1999l 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求GB 17646-1998l 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 安全要求 GB 18451.1-2001l 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)通用要求 GB/T 13981-1992l 風(fēng)力發(fā)電控制機(jī)組控制器 技術(shù)條件 GB/T 19069-2003l 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制器 試驗(yàn)方法 GB/T 19070-2003l 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 驗(yàn)收規(guī)程 GB/T 20319-2006l IEC61400-25：2006風(fēng)力發(fā)電廠監(jiān)測(cè)和控制通信系統(tǒng)l 其他有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范第三部分 變頻勵(lì)磁器子項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)目標(biāo)1.1 本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容為雙饋異步發(fā)電機(jī)的逆變器逆變器采用四象限逆變技術(shù)，可控制轉(zhuǎn)子電壓的頻率、幅值和相位，采用雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制技術(shù)，獨(dú)立控制電機(jī)輸出有功功率和無功功率。電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電網(wǎng)通過逆變器向轉(zhuǎn)子輸入有功功率，該有功功率和機(jī)械功率一起從定子輸出到電網(wǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子通過逆變器將部分機(jī)械功率輸出到電網(wǎng)。逆變器采用IGBT脈寬調(diào)制技術(shù)，并用諧波抑制算法最大限度減少電機(jī)輸出諧波分量。1.2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)主控制器能正確控制風(fēng)機(jī)在四種運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。特別是外部環(huán)境惡劣、電網(wǎng)故障或者風(fēng)機(jī)內(nèi)部故障等情況下，主控制器能安全保護(hù)風(fēng)機(jī)正常或者安全停機(jī)、緊急停機(jī)。要正確控制風(fēng)機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，需要首先界定每個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)每個(gè)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)各部件的工作情況；其次要研究狀態(tài)之間的條件；最后需要研究轉(zhuǎn)換過程中的控制策略：1） 逆變系統(tǒng)在低速時(shí)，能接受主控制器的控制策略，跟蹤最優(yōu)葉尖速比。通常對(duì)轉(zhuǎn)速的控制是通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制來實(shí)現(xiàn)，其控制策略有兩種，分別是間接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理論上DSC優(yōu)于ISC，但是兩種控制策略在實(shí)際運(yùn)用中的效果和優(yōu)劣還需要加以研究。2） 逆變系統(tǒng)能通過解藕，分別控制有功無功輸出，提高發(fā)電質(zhì)量。分析以坐標(biāo)變換為主導(dǎo)的矢量算法，分析以轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈調(diào)節(jié)為主導(dǎo)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，比較兩種算法的計(jì)算量大小、觀測(cè)器設(shè)計(jì)誤差度、對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴程度、考慮自主開發(fā)系統(tǒng)的魯棒性。3） 減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)。4） 抑制可能引起機(jī)械共振的頻率。5） 電機(jī)參數(shù)識(shí)別技術(shù)。6） 雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的柔性并網(wǎng)技術(shù)。7） 電網(wǎng)故障下對(duì)雙PWM控制器的保護(hù)動(dòng)作與重新投運(yùn)。8） 逆變器硬件需適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的溫度、濕度、電磁和振動(dòng)等環(huán)境，并能達(dá)到20年使用壽命。同時(shí)應(yīng)用具有很高的可靠性，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，滿足無人值守的要求。9） 逆變器的電磁兼容等級(jí)比較高，需要在電磁兼容方面有更多的考慮。 2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電變頻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電變頻系統(tǒng)的工作原理 無刷雙饋電機(jī)是在20世紀(jì)初英國(guó)學(xué)者Hunt提出的自級(jí)聯(lián)異步電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最初的無刷雙饋電機(jī)由2臺(tái)繞線式異步電機(jī)組成,2個(gè)轉(zhuǎn)子同軸連接，轉(zhuǎn)子繞組在電氣上直接相連,從而省去了滑環(huán)和電刷。現(xiàn)在用于風(fēng)力發(fā)電的無刷雙饋電機(jī)，其中一個(gè)定子繞組為功率繞組，向外輸出功率；另一個(gè)定子繞組為控制繞組，由變頻器供電，可以用較小容量的變頻器對(duì)較大功率的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠型轉(zhuǎn)子、凸極磁阻型轉(zhuǎn)子等四種類型。國(guó)際上對(duì)雙饋電機(jī)的研究也分為兩大流派。目前應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主要為鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示:變頻器fcfp1轉(zhuǎn)子側(cè)逆變電路網(wǎng)側(cè)側(cè)逆變電路轉(zhuǎn)子側(cè)控制器網(wǎng)側(cè)控制器電網(wǎng)fn風(fēng)力機(jī)無刷雙饋發(fā)電機(jī)圖1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖 無刷雙饋電機(jī)的功率繞組和控制繞組的極對(duì)數(shù)不同，分別為Pp和Pc功率繞組直接連在電網(wǎng)上,因此它的頻率為電網(wǎng)固定頻率fp而控制繞組的頻率fc由變頻器控制，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋而變化。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速nr與Pp、Pc、fp及fc的關(guān)系為:nr=60(fp+fc)Pc + Pp 當(dāng)nr變化時(shí),通過改變控制繞組電流的頻率fc,即可使發(fā)電機(jī)的輸出頻率fp=50Hz保持不變,也就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻運(yùn)行。雙饋電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相反,除定子向電網(wǎng)饋送能量外,轉(zhuǎn)子也經(jīng)過雙向變頻器向電網(wǎng)饋送部分電能；當(dāng)亞同步運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同,定子向電網(wǎng)饋送能量,而轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)饋入能量,這樣定子的輸出頻率在超同步和亞同步情況下都能保持恒定。由于轉(zhuǎn)子和定子側(cè)都能向電網(wǎng)饋送能量，故稱為雙饋發(fā)電機(jī)。2.2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電變頻系統(tǒng)的組成DFIG控制子系統(tǒng)主要由背靠背雙PWM型勵(lì)磁變換器和2個(gè)DSP控制芯片組成，為了提高運(yùn)算速度和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制部分分別選用一塊合眾達(dá)公司生產(chǎn)的SEED-DES2812仿真板，該仿真充分集成擴(kuò)展了DSP320F2812的基本功能，方便電機(jī)控制，具體參數(shù)如下：(1)片上存儲(chǔ)器：FLASH： 128K 16位SRAM： 18K 16位Boot ROM: 4K 16位OTP ROM: 1K 16位(2)片上外設(shè)： PWM： 12路 QEP： 6通路 ADC： 28通道、12位、80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間、03V量程 SCI異步串口：2通路 McBSP同步串口：1通道 SPI同步串口：1通道 eCAN總線：1通道 外擴(kuò)SRAM，最大容量為512K16位，基本配置64K16位 外擴(kuò)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘+5128位EEPROM 外擴(kuò)4通道、12位分辨率、10us建立時(shí)間、+10V量程的DAC輸出 外擴(kuò)符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速USB接口 2路SCI進(jìn)行收發(fā)驅(qū)動(dòng)，接口標(biāo)準(zhǔn)RS23/RS422/RS485可配置 1路eCAN進(jìn)行收發(fā)驅(qū)動(dòng)，符合CAN2.0協(xié)議 標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展總線2.3 硬件結(jié)構(gòu)在確定控制采樣信號(hào)的基礎(chǔ)上利用該仿真可以建立網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的控制硬件結(jié)構(gòu)如下：網(wǎng)側(cè)部分 數(shù)字量控制電路DSP總線 D/A輸出 (2)片上外設(shè)PWM： 12路QEP： 6通路A/D輸入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存儲(chǔ)器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換A/D8路光纖輸入4路模擬量輸出8路光藕輸出8路光藕輸入16路繼電器輸出16路繼電器輸入12路光纖信號(hào)輸出IPM驅(qū)動(dòng)光電轉(zhuǎn)換板驅(qū)動(dòng)信號(hào)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)光電轉(zhuǎn)換IGBT驅(qū)動(dòng)光信號(hào)輸入接口IGBT驅(qū)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)輸出接口IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)信號(hào)PWM復(fù)用IOPWM脈沖輸出QEP輸入A/D模擬量輸入CAN總線接口光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)輸入接口IGBT驅(qū)動(dòng)光信號(hào)輸出接口號(hào)6路交流電壓采樣3路交流電壓采樣7路A/D備用 圖2 網(wǎng)側(cè)硬件控制原理框圖網(wǎng)側(cè)控制板主要包含以下控制變量及參數(shù)選取 六路交流電流采樣，采用的電流傳感器為L(zhǎng)T108-S7/SP8，參數(shù)：輸入額定電流為100A，測(cè)量范圍為0+150A，輸出額定電流為+50mA,轉(zhuǎn)換率為1/2000，工作電壓為+12-15V。（具體參數(shù)可參考說明書）。50mA采樣信號(hào)接入擴(kuò)展板。 三路交流電壓采樣，一路直流電壓采樣，共4路電壓采樣，其中采交流電壓的傳感器型號(hào)選用LV25-800，額定電壓為800V，測(cè)量范圍為0+1200V，輸出額定電流為+25 mA。采直流電壓的傳感器型號(hào)選用LV100-1200，額定電壓為1200V，測(cè)量范圍為0+1800V，輸出額定電流+50mA。 用7路A/D通道最為備用。（備用通道的類型還不確定），所以是否考慮在擴(kuò)展板上此7路備用做成電壓和電流可以通用的調(diào)整電路，通過跳線等方式來選擇是電壓還是電流通道。 4路D/A通道。從開發(fā)板CPU出來的4路電壓D/A，在擴(kuò)展板上做4路電壓4路電流可選的D/A輸出。 3路電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路。輸入為0+5V的電壓信號(hào)，輸出為高低電平。過零點(diǎn)檢測(cè)的電路的閥值為定，0- 0+是高電平輸出。 六路PWM脈沖輸出采用光纖傳輸來控制IGBT驅(qū)動(dòng)模塊。選用的發(fā)射頭是HFBR1521，波長(zhǎng)600nm。 2路光纖開關(guān)量輸入，選用的接收頭是HFBR2521，波長(zhǎng)600nm。轉(zhuǎn)子側(cè)部分 數(shù)字量控制電路DSP總線 D/A輸出 (2)片上外設(shè)PWM： 12路QEP： 6通路A/D輸入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存儲(chǔ)器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換A/D8路光纖輸入4路模擬量輸出8路光藕輸出8路光藕輸入16路繼電器輸出16路繼電器輸入12路光纖信號(hào)輸出信號(hào)光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)信號(hào)光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)輸出接口IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)IGBT驅(qū)動(dòng)光信號(hào)輸入接口IGBT驅(qū)動(dòng)電信號(hào)PWM復(fù)用IO輸出PWM復(fù)用IO輸入QEP輸入A/D模擬量輸入CAN總線接口2路光隔2路光隔電光轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換6路交流電壓采樣6路交流電流采樣4路A/D備用IGBT驅(qū)動(dòng)光電轉(zhuǎn)換板驅(qū)動(dòng)信號(hào)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)輸出接口IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)光信號(hào)IGBT驅(qū)動(dòng)光信號(hào)輸入接口IGBT驅(qū)動(dòng)電信號(hào)PWM復(fù)用IO輸出2路繼電器輸出PWM脈沖輸出光電轉(zhuǎn)換IGBT接口圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)硬件控制原理框圖轉(zhuǎn)子控制板主要包含以下控制變量及參數(shù)選取 六路交流電流采樣，采用的電流傳感器為L(zhǎng)T108-S7/SP8，其輸入額定電流為100A，測(cè)量范圍為0+150A，輸出額定電流為+50mA,轉(zhuǎn)換率為1/2000。（具體參數(shù)可參考說明書），50mA采樣信號(hào)接入擴(kuò)展板。 六路交流電壓采樣，兩種電壓的傳感器型號(hào)可能不一樣，但他們輸出的信號(hào)應(yīng)該都是0+5V的電壓信號(hào)，然后通過與上面一樣的信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為DSP允許的03V的電壓信號(hào)。 4路A/D通道作為備用。（備用通道的類型還不確定），所以是否考慮在擴(kuò)展板上此4路備用作成電壓和電流可以通用的調(diào)整電路，通過跳線等方式來選擇是電壓還是電流通道。 測(cè)速碼盤