一种小型定桨永磁同步风力发电机组控制器的制作方法

本发明主要涉及风力发电机相关技术领域，具体是一种小型定桨永磁同步风力发电机组控制器。

背景技术：

随着风力发电技术的成熟，发展风电成为我国推进能源生产和完善能源体系、促进大气污染防治的重要手段。而且风力发电机组单机容量从几十千瓦级至今己达到兆瓦级；控制方式从简单的定桨距失速控制逐渐向变桨距变速和变速恒频方向发展。风力发电机组的理想工作方式通常由三种工况组成：额定风速以下的最大功率跟踪运行ab段、超过额定转速的恒转速运行bc段、以及恒功率运行cd段三个阶段。

风力发电机组的变速控制是当风速变化时，相应改变转速以获得期望的叶尖速比，从而使风力机具有期望风能利用系数，达到控制风力机机械功率的目的。从理论上讲，只需采用变速控制就可以同时实现低风速的最大风能跟踪和高风速的恒功率控制。在确保安全运行的情况下，使风力机能够拥有最佳的风能利用效率，持续高效发电。南京航空大学龚春英教授团队申请专利《定桨距变速永磁同步风力发电机组无风速转速传感器全风速控制策略》此方式分别在低风速区、高风速区、最大功率跟踪控制与恒功率控制之间的恒转速过渡控制，根据检测到的直流母线电流的变化情况给出需要的直流母线电压参值，从而达到控制机组转速进而控制输出功率的目的，但该方法过于保守，机组的风能利用率较低。

由于风机近几年装机的容量增长迅速，从而导致与风电配套的一些技术设备出现滞后的现象，其中小型风力发电机组控制器就有这一方面的问题，比如使用成本高、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种小型定桨永磁同步风力发电机组控制器，本发明能使小型风力发电机组在全风速下平稳运行，使其在各运行阶段能够平滑过渡，提高了定桨变速风力发电机组的可靠性和安全性，可以有效地抑制高风速区的瞬间过载现象。

本发明的技术方案如下：

一种小型定桨永磁同步风力发电机组控制器，包括主控制器、信号采集模块、pwm驱动模块，所述信号采集模块用于采集风速、发电机组转速、电流、电压信号并传输至主控制器，所述主控制器内置算法用于依据信号进行发电机组控制，其控制策略为：当处于低风速区时，进行最大功率跟踪mppt控制，使风能利用系数最大，以获得最大风能；当处于高风速区时，维持发电机组在额定转速以下运行，改变风能利用系数，实现发电机组的恒功率控制，保证发电机组额定功率运行，基于上述控制策略，所述主控制器依据风速信号通过pwm驱动模块控制发电机组变速运行。

基于主控制器的控制策略，所述主控制器依据风速信号得到发电机组转速参考值，并依据转速参考值和测量的发电机组转速信号得到发电机的转矩参考值，然后通过pwm驱动模块控制发电机组转矩进而实现发电机组的变速控制。

所述pwm驱动模块具体的是通过调节发电机组的输出端电流以控制器实际的电磁转矩跟随所述转矩参考值变化，实现机组的变速控制。

在所述主控制器内存储有一个转速、叶尖速比、和风能利用系数的数据库，主控制器依据测量的转速通过查找数据库得到最佳风能利用系数值，进而依据该最佳风能利用系数值控制发电机组的转速。

所述的低风速区指风速小于风力发电机组的额定风速时的风速区，高风速区指风速大于风力发电机组额定风速时的风速区。

所述主控制器型号为tms320f28335。

所述风速传感器信号为杯式型传感器el15-1a。

本发明的有益效果：

本发明针对定桨变速风力发电机组，使用全风速控制策略，可实现机组的最大功率跟踪、恒转速、恒功率控制工作模式的有效控制，并且使得各模式之间能够自然过渡，提高控制系统的可靠性，并且实现机组在高风速区运行时的功率恒定，改善机组的风能转换效率；本发明能够对采集到的风速、转速、电流信号等数据做出分析，使风力发电机组工作在最为理想的阶段运行，会提高机组的发电效率；针对小型直驱永磁风力发电机组采用tms320f28335芯片完成对以上控制策略的实现，使控制简单并有系统性。

附图说明

附图1为发电机组理想功率-转速运行曲线图；

附图2为本发明控制器硬件框图；

附图3为本发明基于风速、转速检测的变速控制系统原理图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

风力机的功率控制是通过改变其风能利用系数来实现的(风能利用系数反应了风力机的风能转换效率，其定义为风力机获得的机械功率与单位时间内通过其旋转面的风能之比)。

对于定桨距风力机，由于桨叶与轮毂直接连接，桨距角固定不变，风力机从风中捕获的能量可以用公式表述为:

式中：ρ为空气密度；r为风轮机半径；cp为风能利用系数；v为风速。cp仅为叶尖速比λ的函数，其中ω为风轮机转速。

变速控制的基本原理是：当风速变化时，相应改变转速以获得期望的叶尖速比，从而使风力机具有期望风能利用系数，达到控制风力机机械功率的目的。从理论上讲，只需采用变速控制就可以同时实现低风速的最大风能跟踪和高风速的恒功率控制。要控制机组按最佳功率轨迹运行，可通过对机组输出电功率p以及发电机转速ω进行控制来实现。

如图1中所示，在ab段时风力机组的转速会随着风速的增加而变化，在额定风速以下时，为更有效地提高风能转换效率，对风机进行最大功率跟踪使风能捕获量达到最大。当转速达到b点时，机组功率仍然会小于额定功率，如果不对机组的转速进行限制，风速继续升高时，机组转速将会超过额定值，容易发生飞车危险。因此，当机组转速达到额定转速后，需要对机组实施恒转速控制。当在c点额定功率以上，为使输出功率保持在额定值，维持风机组可以在恒功率状态下运行，通过对电磁转矩的调节进而控制机组的转速，将风轮速度降低，调整到失速状态，沿着恒功率曲线运行，即曲线图中cd段。可实现在全风速范围内的最大功率跟踪、恒转速以及恒功率合理控制。

风力发电机组中的永磁同步电机的控制方式主要分为两种方法：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制也称为磁场定向控制，是利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及相位，来控制电机的输出。本质就是通过发电机转子磁链和电磁转矩的控制，获得较高的动态性能。使用磁场定向控制把发电机的定子电流分解成一个产生转子磁链的励磁电流分量和一个产生转矩的电流分量。然后，对这两个分量分别进行控制。通常为了推算永磁同步电机的数学模型，会理想化地假设，忽略对机组本身影响作用较小因素：如不计漏感影响、永磁材料的电导率认为是零、忽略铁心的饱和现象、不计磁滞损耗和电机祸流、转子无阻尼绕组、转子磁链的分布呈正弦，且气隙的分布是均匀的。

永磁同步发电机的数学模型如下所示。为便于研究，将静止坐标系中定a、b、c三相绕组变换为随转子一起旋转的d-q坐标系中的d、q两项绕组。设有三相电流在同步旋转坐标系下，即定子的直轴量、交轴分量及零轴分量。可知，定子三相绕组电流转换为d-q坐标系中的d、q两相绕组的电流关系为：

在磁场定向的坐标系中，轴定位在永磁体的磁链方向上，可以得到永磁直驱风力发电机模型方程：

式中：ud、uq、id、iq分别是发电机组d轴、q轴上的电压分量和电流分量；

ld、lq分别是发电机组d轴、q轴上的电感；

rs为定子电阻；

ωs为点角频率，ωs＝npωg；

np为发电机组的极对数；

ψ为永磁体的磁链。

所以，永磁直驱风力发电机在旋转坐标系下的电磁转矩可以表示为公式：

t＝1.5np[(ld-lq)idiq+iqψ](4)

定子电流矢量定位于q轴，d轴分量等于0，所以发电机组转矩方程可简化为公式：

t＝1.5npiqψdq(5)

依据上述公式(5)，能够通过调节电流实现发电机组扭力调节。

如图2所示，依据上述理论基础，在本发明中，搭建了以tms32为主控制器的平台，平台包括主tms32的最小系统设计、参数采集模块、通信模块、pwm输出模块等。系统硬件配置部分主要是实现信号的采集、预处理以及传输，主要包括风速、风向、温度、转速和电流、电压等信号的采集，然后将采集的信号传输给主控制器。由此选定的主要的硬件为：dsp芯片为tms320f28335芯片的dsp开发板；传感器分别为风速传感器型号为杯式型传感器el15-1a；风向传感器为杯式型风向传感器el15-2de；温湿度传感器、电流传感器和电压传感器等；对ad采集方面，是以运算放大器tlc274芯片为主将模拟信号转换为数字信号的电路设计，同时连接tms320f28335芯片，实现采集与预处理的结果。

定桨距变速风力发电机转速控制系统要实现的主要功能是在全风速范围内，确保安全运行的情况下，使风力机能够拥有最佳的风能利用效率，持续高效发电。为了保证机组稳定安全的运行，还要考虑到功率因素、转速因素，要使机组在额定值以下运行。所以制定变速控制的基本控制策略为：当处于低风速区时，进行最大功率跟踪mppt控制，使风能利用系数最大，以获得最大风能；当处于高风速区时，维持机组在额定转速以下运行，改变风能利用系数，实现风力机的恒功率控制，保证风力机额定功率运行。

如图3所示，根据风电领域专家的经验和相关实验数据建立一个转速、叶尖速比和风能利用系数cp的一个数据库，将该数据库数据存储于主控制器中，主控制器通过查找数据库能够根据风速值得出最佳的风能利用系数值，从而可根据该风能利用系数值实现发电机组转速的控制。

机组变速控制系统首先由风速检测值得到其转速参考值。然后转速控制系统根据转速参考值与转速反馈值之间的误差信号得到发电机的转矩参考值，该转矩参考值是发电机转矩控制系统的参考输入。最后发电机的转矩控制系统通过调节其输出端电流以控制其实际的电磁转矩跟随该转矩参考值变化，实现机组的变速运行。

本发明是以tms32为主的定桨变速风力发电机控制器的设计，当机组处于低风速区时，进行最大功率跟踪mppt控制，使风能利用系数最大以获得最大风能；当处于高风速区时，维持机组在额定转速以下运行，使风能利用系数减小，实现风力机组的恒功率控制，基于该控制方式通过风速信号实现发电机组转速控制，使各运行模式之间能够自然过渡，提高控制系统的可靠性，改善机组的风能转换效率。