永磁直驱风力发电实验报告

实验一永磁同步风力发电系统接线实验一、实验目的1.掌握永磁同步风力发电系统的基本结构及组成；2.掌握永磁同步风力发电实验系统各部分间的接线。二、实验原理1.永磁同步风力发电系统的结构及组成永磁步风力发电系统主要由模拟风力发电机、双向变流器、电网以及电量监视仪表等部分组成。系统组成及控制原理框图如图1-1所示。电网机侧变流器网侧变流器DDPMSG模拟风力发电系统dU机侧电流电压测量网侧电流电压测量机侧控制板光电隔离网侧控制板直流母线电压测量网侧滤波电感图1-1永磁同步风力发电系统原理框图2.模拟风力发电机模拟风力发电机即永磁直驱风力发电机组，包括风力机及永磁同步发电机、和增量编码器等组成，其中风力机由三相异步变频调速电动机组成，其由单独地变频控制转动，来模拟风力机转动，如图1-2所示。另外，图1-3中的永磁直驱风力发电模拟系统控制柜里面包含三相变频器，是控制三相异步变频调速电机转动，模拟风机带动永磁同步电机转动发电，风力机的定子接线端接到该控制柜。图1-4中的直驱永磁风力发电机组变频柜里面包含机侧变流器和网侧变流器，是对永磁同步发电机发出的电进行PWM整流和逆变，增量编码器的A、A_、B、B_、Z、Z_信号输出端，以及永磁同步电机的定子输出端都要接到该控制柜。直驱永磁风力发电机组变频柜的输出端接到电网上，如图1-2所示。增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增增图1-2永磁直驱发电机组结构图图1-3永磁直驱风力发电模拟系统控制柜机侧控制板网侧控制板增量式编码器输入接口图1-4永磁直驱风力发电机组变频柜图1-5电网接入端口三、实验内容及步骤1.实验准备实验前请仔细阅读系统的安全操作说明及系统相关的使用说明书，识别并准备完成实验开始前所需的器件。2.实验步骤1）将机组中三相异步变频调速电动机的定子输入三相线接到永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的U，V，W端子上，注意变频器输出相序和风力机的定子输出相序一致。2）将机组中增量式编码器输出端口的A、A_、B、B_、Z、Z_信号输出端口接到永磁直驱风力发电机组变频柜的机侧控制板上对应的增量式编码器输入接口。3）将机组中永磁同步电机的定子输出三相线接到永磁直驱风力发电机组变频柜的输入U，V，W端子上。注意永磁同步电机的定子输出相序和永磁直驱风力发电机组变频柜的输入相序一致。4）将永磁直驱风力发电机组变频柜输出的U１，V１，W１端子接入电网，注意接入电网时，将图１-５中的空气开关断开，禁止带电操作，同时注意电网相序和永磁直驱风力发电机组变频柜输出的相序和电网相序一致，因此实验前可以用相序表测一下电网相序。5）完成后，在系统上电前，请仔细检查并确保前面各部分间的连接正确。6）依次合上永磁直驱风力发电机组变频柜和永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的“总电源”、“控制器电源”、“三相电源”开关，按下永磁直驱风力发电机组变频柜的“电源启动”按钮，此时交流接触器合上，算热风扇开始工作，触摸屏亮起。7）按下触摸屏中网侧的“启动”按钮，此时“网侧运行”指示灯亮，在触摸屏中依次给定直流母线电压参考电压“600V”和无功电流参考“0A”指令，此时直流侧母线电压上升，观察触摸屏上的直流母线电压上升到600V后，说明网侧接线正确。接着，在触摸屏中，按下机侧启动按钮，此时“机侧运行”指示动亮，输入有功电流（1A）和无功电流（0A）指令，并将永磁直驱风力发电模拟系统控制柜启动控制为恒速，在触摸屏上观察到实际有功电流为1A，此时表明机侧接线正常。8）停止系统运行时，依次先按下触摸屏中机侧变流器“stop”建，此时“机侧运行”指示灯熄灭，再将永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的停机建按下，此时风机停止运行，接着将按下触摸屏中网侧变流器“stop”键，“网侧运行”指示灯熄灭，最后按下“电源停止”键，触摸屏熄灭。中间如出现故障，按下“急停按钮”，关闭各种电源。四、实验报告简述永磁同步风力发电系统的结构、组成及基本工作原理。实验二、永磁同步风力发电机并网过程实验一、实验目的1.了解永磁同步风力发电机并网控制原理；2.掌握永磁同步风力发电机并网所需要满足的条件。二、实验原理1.永磁同步发电机的工作原理永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁同步电机的转子磁极是用永久磁钢制成的，通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合，并随转子以同步速度旋转。因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交流电建立的，定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。因此，当负载一定时，定、转子旋转磁场之间的差角一功率角是恒定的，通过折算并保持功率角为90度。这样，永磁同步发动机就和直流电动机基本相同了，可以实现解制，即转子磁场定向的矢量控制。建立永磁同步发电机的数学模型,需先做以下假设：（1）忽略铁心磁饱和；（2）忽略发电机的齿槽效应；（3）转子磁链在气隙中呈正弦分布；（4）转子上没有阻尼绕组，不计涡流及磁滞损耗；（5）定子各相绕组参数一样，即各相绕组的电枢电阻值、电感值等。永磁同步发电机的三相定、转子空间分布如图1所示，三相绕组在空间对称分布，沿着逆时针方向各绕组轴线互差120度电角度，转子按逆时针方向旋转，在上述规定下，定子绕组将产生三相正序电压。ACBdqsAsA’rrF图2-1.永磁同步电机定、转子空间分布图根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下的永磁同步电机的定子电压方程为：sqqfqsdqdesqqasqsddsqdqesddasduLLiLLiLRdtdiuLiLLiLRdtdi1)1(1(2-1)式中：e是电角频率；f是永磁体的磁链；Ld、Lq分别是发电机的d轴和q轴电感；isd、isq分别为永磁同步发电机定子输出电流的d轴和q轴分量；usd、usq分别是永磁同步发电机定子输出电流、电压的d轴和q轴分量。假设发电机d轴和q轴电感相等，即Ld=Lq=L则上式可变形为：sqfsdesqasqsdsqesdasduLLiiLRdtdiuLiiLRdtdi1)1(1(2-2)永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的等值电路如图2所示。RaLiqequqdeLiRaLideduddeLi(a)q轴等效电路(b)d轴等效电路图2-2.永磁同步电机等效电路图永磁同步发电机电磁转矩的表达式为：])[(23fsqsqsdqdpeiiiLLnT(2-3)风力发电用永磁同步发电机的永磁体多采用径向表面式分布，即Ld=Lq。此时发电机的电磁转矩可简化为：sqfpeinT23(2-4)其中，np为发电机的极对数，由式4可以看出，发电机的电磁转矩与定子q轴电流成正比，因此可以调节isq即可调节永磁同步发电机的电磁转矩，进而调节发电机和风力机的转速。2.并网控制原理直驱PMSG风力发电机组中，永磁同步发电机不直接和电网连接，因此电网与永磁同步风电机组之间的交互主要通过电网侧变换器的控制来完成，如图2-3。电网侧变换器的主要任务有两个：一是按照电网的要求，在不超过电网侧变换器容量的前提下输出一定的无功功率，实现网侧功率因数调整；二是负责将永磁同步发电机输出的有功功率及时的传送至电网，这通常是通过控制直流侧电压稳定来保证的，而直流侧电压的稳定是电网侧变换器和电机侧变换器互不干扰、独立控制的前提条件。为此，需要对电网侧变换器的模型及基本控制方法进行分析。PMSM三相整流电压源逆变器电网图2-3.永磁同步发电机工作示意图并网主要是对网侧的电压源逆变器进行控制，电网侧变换器有多种控制策略，包括基于电网电压定向的矢量控制、基于虚拟电网磁链定向的矢量控制以及直接功率控制等。目前，基于电网电压定向的矢量控制应用最为广泛，商品化的变频器绝大多数采用这种控制方法或其改进策略。电网侧变换器按照电网电压定向方式来控制：即电网电压矢量定向在d轴上，则电网电压在q轴上的投影为零。以电网电压空间矢量方向为d轴方向，与之垂直的方向超前90°为q轴方向，则有：0gqgggduUUu(2-5)因此，可以得到：LgqqgdddcgdggqggqgcqgqggdggdggdcdiiSiSdtduCiLdtdiLiRuiLdtdiLiRuu(2-6)dq同步旋转坐标系下，电网侧变换器输入的有功功率和无功功率分别为：gdgqgqgdggqgqgdgdgiuiuQiuiuP(2-7)在电压矢量定向控制方式下，可简化为：gdgdggdgdgiuQiuP(2-8)上式中，Pg小于0表示电网侧变换器工作于逆变状态，有功功率从直流侧流入三相交流电网；Pg大于0表示电网侧变换器工作于整流状态，有功功率从三相交流电网流入直流侧。Qg小于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收超前的无功电流；Qg大于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收滞后的无功电流。因此，可以将d轴、q轴分别视为有功通道和无功通道，通过控制电流d、q轴分量igd和igq就可以独立的调节电网侧变换器输出的有功功率和无功功率。根据式(2-8)，用直流侧电压环的输出作为d轴电流分量(有功电流)的给定值，它反映了电网侧变换器输入至电网的有功功率大小。通过控制q轴电流分量(无功电流)控制电网侧变换器发出的无功功率。因此，对电网侧变换器的控制可采用双闭环结构：外环为直流侧电压控制环，主要作用是稳定直流侧电压，其输出为电网侧变换器的d轴电流给定量igd*；内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令igd*以及设定的无功电流指令igq*以实现快速的电流控制。由式(2-6)可知，d、q轴电流除了受控制电压ucd和ucq的影响外，还受交叉耦合电压gqgiL、gdgiL以及电网电压ugd的影响。交叉耦合电压的存在以及电网电压的扰动都不利于d、q轴电流的解耦控制。因此，除了对d、q轴电流进行闭环PI控制外，d、q轴控制电压中还应该加入交叉耦合电压补偿项和电网电压补偿项。这样不但可以实现d、q轴电流的独立控制，而且还有利于提高系统的动态控制性能。电网侧变换器的d、q轴控制电压可表示为：gqgqgqiipgqgcqgdgdgdiipgdgcduiiststkiRuuiiststkiRu)(1)(1**(2-9)其中，gdggqgdgqggdiLuuiLu(2-10)其中，gdu和gdqu分别为实现电网侧电压，电流解耦控制的电压补偿项；kp和ti分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数。PIPIPIPWM调制SaSbScudc*udcigd*igq*igdigqucducqgdgqggdguiLiRgdggdgiLiR图2-4.电网侧变换器电网电压定向控制原理框图基于电网电压定向的电网侧变换器电压、电流双闭环矢量控制系统框图如图2-4所示。外环为直流侧电压控制，直流侧电压给定值udc*和反馈电压udc相比电流参考值igq*根据系统无功要求设定。将采样得到的电网三相电流经坐标变换后，即可得到d、q轴的实际电流值igd、igq。igd*、igq*分别与igd、igq相比较，经电流PI调节器后的输出分别加上d、q轴对应的电压补偿项gdu和gqu，就可得到电网侧变换器的d、q轴控制电压ucd和ucq。三、实验内容与步骤1.实验准备参考实验1中完成实验开始前的准备工作。2.实验内容与步骤1）将系统线路按照要求连接好，确认无误，后启动电源。2）依次按下永磁直驱风力发电系统网侧换流器的触摸屏中“运行”按钮，设置直流母线电压为600V，等待直流母线电压上升至600V，然后进行下面的操作。3）打开“风力机模拟器”