雙饋感應風力發電系統實驗平臺的設計與實現

摘要：基于在亞同步和超同步工作模式下實現能量轉換的雙饋感應風力發電工作原理，設計了雙饋感應風力發電系統實驗平臺，主回路包含三相繞線式異步電機、代替風力機的直流調速電機、直流伺服驅動器、雙PWM勵磁變換模塊和各類低壓電器，控制電路包含TMS320F28335型DSP、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、采樣電路、驅動電路和PLC控制回路，監控電路主要包含PLC上位機監控系統，通過組態軟件對風速進行控制和監控，最終實現了雙饋感應風力發電系統實驗平臺的實物研制。

關鍵詞：雙饋感應;風力發電;實驗平臺

0 引言

據統計，到2050年地球上的石油儲量將開采完，石油占據全球年耗能的40%;到2230年左右地球上的煤炭將開采完，煤炭占據全球年耗能的30%;到2070年天然氣將枯竭，天然氣占據全球年耗能的20%[1]。從以上數據可以看出，世界上主要的能源將在不久的將來開采完，而隨著工業的飛速發展，世界各國對于能源的需求越來越大，傳統的能源有限，因此，開發利用新能源來補充現有能源的短缺，已經成為全球各國亟需解決的問題。

新能源是指傳統能源之外的各種能源形式，指剛開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。風能是太陽能的一種轉換形式，生活中的風大多是由于溫差產生的，自然界中的也一樣，太陽輻射到地球表面，地球表面受熱不均勻，各個空間位置的溫度不一樣，會產生溫差，進而形成空氣的流動，當大范圍的區域有溫差時，自然界的風就形成了，風能就是空氣的動能，其大小不僅和風速有關，還和溫度、空氣密度等有關[2]。

部分風能不能被直接使用，必須將其轉換為另一種形式的能量。風力發電機是將風能轉換為機械能，再將機械能轉換為電能的裝置，使用風力發電機能將風能轉換為電能，供人們使用。我國東部沿海城市眾多，且大多為較發達城市，對能源的需求較大，而東部沿海海岸線較長，周邊風能存儲能量較大，如何將其有效利用起來成為我國亟待解決的問題。在此基礎上，本文對雙饋感應風力發電系統實驗平臺進行了設計，并成功實現了實物的研制。

1 雙饋風力發電工作原理

風力發電系統主要承擔將風能轉化為電能的任務，其中風力機的主要任務是將風能轉換為機械能，雙饋感應發電機主要將風力機傳遞的機械能轉化為電能。雙饋感應發電機是整個發電系統的核心[3]，因此首先對其工作原理進行闡述。

由電機學可知，發電機（電動機）的輸出（輸入）電壓頻率f、電機極對數p和電機旋轉速度nr三者之間存在一定的關系，即：

雙饋感應風力發電系統的結構包含風力機、雙饋感應發電機（DFIG）、轉子側變換器、網側變換器、控制電路、感抗器、變壓器、電網和其他低壓控制電路等部分。DFIG定子繞組連接電網，用于將輸出的電能傳遞到電網上。DFIG轉子通過聯軸器與風力機相連接，風力機通過最佳葉尖速比，能夠將風能最大限度轉化為機械能，供整個系統使用。DFIG轉子繞組連接轉子側變換器和網側變換器，能夠將產生的電能與電網進行雙向傳遞[4]。雙饋感應風力發電系統主要的工作狀態包含亞同步、超同步和同步狀態。

雙饋感應發電系統在亞同步狀態運行時的工作原理如圖1（a）所示，此時DFIG轉子轉速低于氣隙磁場旋轉速度，其能量流向為風力機產生的機械能一部分從雙饋感應電機定子繞組傳遞到電網上，另外一部分從電網通過雙PWM勵磁變換器反饋到雙饋感應電機轉子繞組上，發電機功率關系：輸入的機械功率=定子側輸入給電網的電能-電網給轉子側的電能。

雙饋感應發電系統在超同步狀態運行時的工作原理如圖1（b）所示，此時DFIG轉子轉速高于氣隙磁場旋轉速度，其能量流向為風力機產生的機械能一部分從雙饋感應電機定子繞組傳遞到電網上，另外一部分從雙饋感應電機轉子繞組通過雙PWM勵磁變換器傳遞到電網上，發電機功率關系：輸入的機械功率=定子側輸入給電網的電能+轉子側給電網的電能。

當DFIG轉子轉速等于氣隙磁場旋轉速度時，雙饋感應電機等同于同步發電機，雙饋感應電機與雙PWM勵磁變換器之間沒有能量的傳遞，其能量流向為風力機產生的機械能全部從雙饋感應電機轉子繞組傳遞到電網，發電機功率關系：輸入機械功率=定子側輸入給電網的電能。

雙饋感應電機主要工作在亞同步和超同步工作狀態，其轉子通過交流勵磁電源既可以吸收電網的電能，又能將電能傳遞給電網，實現了能量的雙饋，因此命名為雙饋感應發電機（DFIG）。DFIG功率傳遞與普通交流電機有很大的不同，定/轉子能同時進行功率傳遞，其電能利用率高。

2 實驗平臺設計

本文設計的雙饋感應風力發電系統實驗平臺原理如圖2所示，其硬件結構主要包含斷路器、電抗器、隔離變壓器、熔斷器、西門子直流調速裝置、直流電機、聯軸器、三相繞線式異步電機、雙PWM勵磁變換模塊、PLC、上位機監控和主控板電路等部分。由于該系統由多個CPU構成，因此為主從式數字分布控制系統，主站主要是DSP電路，從站包含PC監控和PLC控制繼電器電路。

在主回路中，發電機使用三相繞線式異步電機，直流電機的轉子通過聯軸器與三相繞線式異步電機轉子相連來代替風力機，PLC控制西門子直流伺服驅動器，進而控制直流電機轉速來模擬風速。直流電機通過轉子聯軸器拖動繞線式電機轉子，使其轉子側發電，繞線式異步電機發出的三相電通過雙PWM變換器模塊將三相電轉變為工頻50 Hz、相電壓有效值220 V和相位角相差120°的市電，并連入電網。

系統控制部分由TMS320F28335型DSP控制芯片、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、AD5675模數轉換芯片、驅動隔離和各部分接口組成。其中TMS320F28335型控制芯片在保持傳統DSP處理器優點的基礎上，集成了復雜的浮點運算模塊，能夠實現32位浮點型數據的運算，這為電機復雜的矢量運算提供了方便，該芯片主要用于控制PWM信號，并讀取EP1C12Q240I8型芯片發送的數據信號。此外，EP1C12Q240I8用于將采集的各個信號傳輸給主控芯片，AD5675模數轉換芯片分別采集市電的三相電流、三相電壓、兩相正弦信號相位差、電磁轉矩、電機轉速，DFIG發出的三相電壓、三相電流、直流母線電壓，雙PWM輸出的三相電壓和三相電流等信號。驅動部分主要使用2SP0115T驅動芯片，用于PWM驅動信號的放大。

系統監控部分主要包含PC上位機監控系統。通過施耐德PLC組態軟件對風速進行控制和監控，利用CCS3.3編譯軟件和仿真器對系統的監測電壓、電流進行監控。PLC控制主電路的通斷信號，包含西門子直流調速器、接觸器和繼電器等回路。

3 硬件實物

圖3所示為雙饋感應風力發電系統實驗平臺實物主控制柜的正面和反面，柜體正面上方包含雙PWM勵磁變換器和直流伺服電機驅動器，用于控制電源電壓和頻率的變化以及直流電機的調速;中間包為電抗器、變壓器和接觸器，用于抵抗三相電網的波動及主回路的控制;下方為三相電源母盤，用于三相電壓的傳遞，各種接線端子用于信號的傳遞。反面有電阻箱，用于在系統脫離電網時消耗多余的能量;開關電源用于將220 V交流電轉換為24 V直流電，為主控板和其他電器提供電源;主控板用于整個系統的控制;施耐德PLC控制器用于控制各類繼電器。

4 結語

在全球石油、煤炭和天然氣等主要傳統能源即將被開采完，開發新能源成為全球各國亟需解決的問題的背景下，本文首先介紹了風能的產生原理及風力發電機的應用;然后闡述了雙饋感應風力發電系統的工作原理，詳細分析了亞同步、超同步工作模式下系統能量轉換的工作過程;接著對雙饋感應風力發電系統實驗平臺進行了設計，對系統的主回路、控制部分和監控部分進行了詳細設計;最后在雙饋感應風力發電系統實驗平臺設計原理框圖的基礎上，實現了實驗平臺實物的研制，并對實驗平臺中各個模塊的布局進行了說明。

[參考文獻]

[1] 賀益康，鄭康，潘再平，等.交流勵磁變速恒頻風電系統運行研究[J].電力系統自動化，2004，28（13）：55-59.

[2] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 楊金明，吳捷，楊俊華，等.風力發電技術探討[J].太陽能，2003（3）：13-15.

[4] 劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制[J].電力系統自動化，2003，27（20）：62-67.

收稿日期：2021-07-29

作者簡介：張蘇新（1987—），男，江蘇蘇州人，工程碩士，講師，研究方向：電氣控制、智能控制。