一种小功率风电变流器组网时的实时监控方法

摘要

本发明公开了一种小功率风电变流器组网时的实时监控方法。本发明可以实现对多台小功率风电变流器运行状态的实时监控，便于及时发现、排除故障，同时也可实现上位机对各控制微机模块的控制，在调试及下达命令时无需对变流器进行拆机，方便用户操作。实际小功率风电机组组网时，常常会有多种型号的永磁同步发电机，本发明可以实现一种小功率风电变流器适配多种型号的永磁同步发电机，降低成本和组网难度。本发明基于MODBUS RTU协议并对其进行了改进，使得报文的起始和结束非常方便判断，便于利用串口通讯的控制微机模块和上位机进行中断处理，而协议本身特点及其广泛应用性也非常便于多台风电变流器组网并与工控机、PLC等设备连接。

主权项

一种小功率风电变流器组网时的实时监控方法，其特征在于：该方法将由多台小功率风电变流器发送至上位机的实时参数和上位机发送至多台小功率风电变流器的系统关键参数与控制指令，按照改进的MODBUS RTU协议，在多台小功率风电变流器与上位机之间进行通讯；所述小功率风电变流器包括三相PWM整流模块、三相PWM逆变模块、驱动微机模块、控制微机模块、通讯接口、触摸板和电源模块，其一端连接永磁同步发电机，另一端连接电网；所述驱动微机模块负责三相PWM整流模块和三相PWM逆变模块PWM信号的产生；所述控制微机模块负责整个系统运行、保护，实时参数的采集，并通过通讯接口连接至现场总线，进而与上位机进行通讯；所述触摸板可以对控制微机模块进行操作，包括开机、关机和编号设定；所述实时监控方法包括以下步骤：(1)对于各台风电变流器发电机侧的三相PWM整流模块均采用矢量控制，其控制原理是采用速度外环、电流内环的双闭环控制结构，该步骤通过以下几个子步骤来实现：(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_sa、i_sb、i_sc，结合编码器测得转子位置信号θ，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_sd、i_sq；(ii)实际速度ω通过编码器测得；外环角速度的参考值ω^*是结合最大功率点跟踪算法(MPPT)，可以使发电机在稳态运行时工作于相应风速的最大功率点；(iii)通过参考速度ω^*与实际反馈的电机速度ω相比较，再经过PI调节器得到q轴电流的参考值d轴电流参考值从而使电流全部用于产生电磁转矩；(iv)改变的值，从而改变发电机转矩和转速，跟踪最优速度ω^*，使发电机达到新的稳定状态；(2)对于各台风电变流器电网侧的三相PWM逆变模块控制策略为有功和无功功率的解耦控制，采用双闭环控制结构，包括直流侧电压的外环和无功电流的给定内环，该步骤通过以下几个子步骤实现：(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_a、i_b、i_c，结合谐振式PLL测得电网电压相位角θ₁，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_d、i_q；(ii)电压外环用于控制电压源型逆变器直流侧的电压，直流侧电压参考值与实际电压U_dc相比较，再经过PI调节器得到d轴电流参考值(iii)q轴电流的参考值是由无功功率参考值Q^*得到的，当无功给定为0，即Q^*＝0时，此时系统无功功率为0，电网侧功率因数为1；(3)最大功率点跟踪控制(MPPT)采用的是功率信号反馈法，功率信号反馈法是测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P_max，将它作为风力机的输出功率给定值P^*，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪控制，该步骤通过以下几个子步骤实现：(i)根据公式P＝TΩ，而电磁转矩T又与q轴电流分量i_sq成正比，因此在实际使用功率信号反馈法进行最大功率点跟踪控制时，是转换成相应的转速ω和q轴电流分量i_sq作为给定参考值；在实际使用MPPT曲线时，可以有两种类型，即功率与转速曲线P/n或功率与频率曲线P/f；(ii)当使用功率与转速曲线P/n时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq^*计算公式：$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{20P}{{\mathrm{\pi np\psi }}_f}\\ {\omega }^{*}=\frac{\pi n}{30}\end{array}\right.$其中P为MPPT曲线中的功率，n为转速，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；(iii)当使用功率与频率曲线P/f时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq^*计算公式：$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{P}{3{\mathrm{\pi f\psi }}_f}\\ {\omega }^{*}=\frac{2\pi f}{p}\end{array}\right.$其中f为电角速度所对应的频率，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；(4)基于以上三种控制策略，得到各台风电变流器的系统关键参数：(i)MPPT曲线，具体包括功率与转速曲线P/n和功率与频率P/f两种形式；(ii)电机参数，具体包括电机极对数p、额定功率P、额定转速n、额定电流I、直轴电感L_d、交轴电感L_q、定子相电阻R_s和转子磁链ψ_f；(iii)PI参数，具体包括直流母线电压环PI、网侧逆变电流环PI、机侧电流环PI和机侧转速环PI；(5)利用各台风电变流器的控制微机模块，采集各台风电变流器所需要监测的实时参数，所述实时参数包括电网侧电压、电网侧电流、电网频率、电机侧电流、电机转速、母线电压；(6)各台风电变流器的实时参数、系统关键参数和控制指令的传输均采用改进的MODBUS RTU协议，即结合MODBUS ASCLL模式下具有专用的起始帧和结束帧的优点，将标准MODBUS RTU模式下≥3.5字符作为判断开始和结束的条件去除，改为在报文中增加开始帧和结束帧，便于串口通讯，其数据帧格式如下：(7)每台风电变流器组网前，均需通过其触摸板，进行编号设定，保证每台风电变流器的编号是唯一的，所述编号作为步骤(6)中各台风电变流器的地址帧，便于上位机区分各台风电变流器；(8)要实现第i(1≤i≤N)台风电变流器匹配第j(1≤j≤K)类永磁同步发电机，只需要将第j类系统关键参数按照步骤(6)中的协议，由上位机发送至第i台风电变流器控制微机模块，控制微机模块再按照步骤(1)、(2)和(3)中的控制策略进行控制，即可完成第i台风电变流器匹配第j类永磁同步发电机，实现组网时一种风电变流器兼容多种永磁同步发电机的功能；(9)要实现上位机对各台风电变流器的实时监测，只需各台风电变流器将步骤(5)中的实时参数采集后，按照步骤(6)中的协议实时地发送至上位机，上位机处理后即可显示对应风电变流器的实时参数；(10)要实现上位机对第i台风电变流器的控制，只需将控制指令按照步骤(6)中的协议发送至第i台风电变流器控制微机模块，控制微机模块即可采取相应操作；所述控制指令包括开机、关机和紧急保护。