刘衍伟1，2， 陈渊睿1，2
(1华南理工大学电力学院，广东广州510640：
2广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州 510640)
摘要：设计一种基于无刷双馈电机(BDFM)的变速恒频风力发电系统，详细分析了该BDFM及j￡控制系统的硬什结构和软件设计流程；设计-种基于数宁信号处理器(DSP)的电能质量分析结构，实现了风力发电系统电压、电流、功率及谐波等电能质量数据的采集与处理；采用Visual C＋＋设计开发上位机监测系统，实现风力发电系统电能质量数据的动态监测与管理。通过BIFM试验表明，采用自主设计的BDFM较好地实现了风力发电系统的变速恒频控制；通过上位机监测系统通信试验表明，电能质量监测系统叫靠性高，实时性良好，关键词：无刷双馈风力发电机；控制系统；电能质量：监测系统
0 引 言
采用交流励磁的变速恒频风力发电系统，由于所需的变频器容量较小、成本较低，而且能够****限度地捕获风能并使系统的有功和无功功率得到灵活调节是目前国内外风力发电的主要发展趋势。该系统可以采用绕线转子异步电机作为双馈发电机，但需要通过滑环和电刷对转子绕组励磁，由于电刷滑环磨损，有刷结构不仅需要定期维护，而且机组运行的叮靠性会降低。采用无刷双碳发电机的变速恒频风力发电系统，所用电机不仅具有交流励磁发电机的所有优点，还实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性，是变速恒频风力发电技术未来发展的币=要方向。
1 无刷双馈风力发电系统总体结构
无刷双馈风力发电系统采用双数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)+ARM的多
cPu架构，系统结构如图l所示，包括三部分：上传机系统、风力机模拟系统和发电机特性分析系统。
风力机模拟系统包括第一处理器(DsPl)、变频器和原动机(三相异步电机)。第一处理器输出原动机的转矩值给变频器，由变频器控制原动机；同时风力机系统还包括风速仪和设置于原动机上的OMRON转速编码盘，风速仪的信号经过sTc4052单片机处理后传到第一处理器，转速编码盘将原动机的转速信号传送到第一处理器。
发电机特性分析系统包括门主设计的无刷双馈电机(Brushkss Doubly Feed Motor，BDFM)和电能质量分析结构(即第二处理器DsP2)。风力发电机输出的三相电压和三相电流经隔离、放大和A／D电路处理后输入剑第二处理器，第二处理器刘电能质量进行分析后将结果送往上位机监测系统。同时发电机特性分析系统还包括一个由变频器和能量回馈器组成的控制系统。出该变频器和能量回馈器构成的控制系统允当双向变频器，当发电机属于亚同步运行，BDFM控制绕组的能量由双向变频器提供；当发电机处于超同步状态，控制绕组的能量通过该双向变频器回馈给电网。
2 BDFM及其控制系统
2．1 BDFMBDFM
实际上是一种交流励磁异步化同步电机，它由两套不同极埘数的对称三相绕组构成，可以是彼此独市的两套绕组，或由一套三相绕组通过变极连接获得极对数不同的两套对称三相绕组。接人r频电源的划称三相绕组称为“功率绕组”，接入变频电源的对称三相绕组称为“控制绕组”。BDFM在稳态运行时满足：
为达到****风能捕获，BDFM的转速随风速变化，调节BDFM控制绕组三相电流的相序和频率fp，并使发电机功率绕组频率fp保持不变，当电机转速高于同步转速时，式(1)右端取“十”号，即控制绕组电流相序与功率绕组电流相序相同；反之，当电机转速低于同步转速时，式(1)右端取“-”号，即控制绕纽电流相序与功率绕组电流相序相反。BDFM有两套定子绕组，可建立由功率绕组磁场和对应的转子电流分量所构成的功率绕组子系统，以及由控制绕组磁场和对应的转子电流分量所构成的控制绕组子系统，分别对这两个子系统建屯各自的d-q同步速旋转坐标系。从两个系统各自的旋转坐标系上看，BDFM的各个矢量都变成了静止矢量，电流、电压及磁链的卒问统一向量都将转化为直流分量。功率绕组直接接F电网，其定子磁链为常数，经磁场定向后，功率绕组子系统不受控制绕组的影响；控制子系统采用转子磁场定向实现控制绕组定子电流的转矩分最与磁链分量的解耦。
2．2控制系统的硬件设计
图2是BDFM发电系统及其控制系统的结构图。其硬件系统主要包括三部分：主回路1足电压型整流逆变电路1，负责给控制绕组供电；主回路2是电压型逆变电路2，当BDFM运行在超同步状态时，逆变电路2开始工作，把能量回馈给电网；单片机是控制电路的大脑，负责收集数据和发出指令给逆变电路。同时，硬件系统还包括转速反馈、电压反馈等电路。
2．3控制系统的软件设计
2．3．1主回路l软件设计
图3是主同路I的控制软件流程图。宅叫路1主要给无刷双馈电机的控制绕组供电。在该系统巾，研究无刷双馈发电机本体的性能，包括变速恒频、亚同步运行等，采用的是最基本的控制，主要研究电机的稳态情况。因此，主回路l的控制软件中只需检测无刷双馈电机的转速，然后根据要求输出指令电压幅值和频率。为了更好地研究无刷双馈电机的各种性能，主回路I的输出电压和频率可以单独调制。
2.3.2主回路2的软件设计
图4是主回路2的控制软件流程图。主同路2的控制比较简单：榆测直流侧的电压，当直流侧的电压超过设定值，表明无刷双馈发电机运行在超同步状态，控制绕组通过变频器向电网回馈能量。该情况Ⅲ现时，主回路2开始工作，根据检测到的电网电压相位，输出380 V、50 Hz的电压给电网。
3 电能质量分析结构
3．1 电能质量分析结构的设计发电机特性分析系统中电能质量分析结构如图5所示，采用基于DsP的采集处理模块。DsP模块采用TI公rd的TMs320F2812作为控制芯片。它是信号处理单元的核心部分，负责数据的采样、计算、scI通信等任务。该模块包括：隔离传感器、输入限幅电路、抗混叠滤波电路、同步变换及锁相环电路、A／D转换电路、DsP等．．其中，模数转换芯片
ADs8364足一款TI公司为进行三相电压、电流控制而生产的专用芯片。它具有6个独立输入通道，配有6个独立的16-iLADc，可以实现六通道同步采样。这种多通道同步采样的方式大大提高了电能质量临测的精度。
ADs8364的采集控制信号由以cD4046为核心的锁相环电路提供。锁相环跟踪通道1的信号并产生128倍频的控制信号。该控制信号输出至ADs8364的起动转换引脚，实现对原始信号的128倍频的采样。
3.2 电能质量分析算法的实现
根据国家质量技术监督局制定的电能质量标准，再结合风力发电自身的特点，本文提出的电能质量分析结构提供了三相电压电流有效值、电压电流频率、功率、谐波等的计算功能。
分析结构对三相电压和三相电流进行每周期128点的同步采样，连续采样8个周期，这样每相可获取1 024个采样点数据(即N=l 024)，并设uk和ik分别足单相电压和单相电流的第K个采样点。
(1)电压和电流有效值。根据连续信号有效值的计算方法，可以得到单相离散电压、电流的有效值计算公式为
4上位机监测系统设计
上位机监测系统的软件系统采用Vjsualc++设计开发，实现对发电机特性分析系统电能质量的监测与管理，主要包括监测平台和数据采样系统。
4．1监测平台软件设计
图7为监测平台设计流程，
4．2数据采样系统软件设计
图8为数据采样系统，是采用多线程方式设设上的通信程序，实时采集硬件系统各模块的相关数据，并根据监测平台终端的通信请求进行相应数据的传输，主要包括两个独立的线程。  5试验结果与分析
根据搭建完成的无刷双馈风力发电模拟试验平台，对发电机特性分析系统进行了相关试验与分析。
5．1无刷双馈电机试验分析
无刷双馈发电机的一个主要特点就是能实现变速恒频发电，其控制绕组的频率fc功率绕组的频率fp和电机的转速n．满足式(1)，本系统中无刷双馈电机的极对数分别为pp=4，pc=l，代入式(I)得：
图9与图10是在空载的情况下，不同风速信号时BDFM的控制绕组与功率绕组的输出电压波形。其中图9(a)为给定风速信号v=5 m／s，实测系统转速nr=300r／min的控制绕组和功率绕组的单相输出电压波形；图9(b)为v=8 m／s，实测系统转速nr=480 r／min时控制绕组和功率绕组的单相输出电压波形；图10为RDFM功率绕组的三相输出电压波形。
从试验结果叫看出，控制绕组的频率fc功率绕组的频率fp和电机的转速nr三者遵从式(2)的火系，功率绕组的输出电压频率都是50 Hz，而且功率绕组输出的三相交流电具有良好的对称性和幅值的一致性，实现了无刷双馈风力发电系统的变速恒频控制，从而为该无刷双馈风力发电系统的并网提供了频率条件。
5．2上位机监测系统通信试验及分析
监测系统实现了风力发电系统电压、电流、功率、谐波等电能质量参数及指标的动态监测，其中监测平台与数据采样系统间实时通信周期没定为T=l s。图11为风力发电系统B相电压与电流以T=1 s为周期动态变化时的监测波形。试验结果表明，监测系统运行稳定，实时性与可靠性良好。
6 结 语
BDFM是电机研究发展的重要方向，通过对BDFM及其控制系统的研究，实现了风力发电系统的变速恒频控制；通过设计的电能质量分析结构与上位机监测系统，实现了风力发电系统电压、电流、功率及谐波等电能质量参数及指标的动态监测，通过试验验证了监测系统的实时性与可靠性。本文的研究成果对十变速恒频风力发电机特性分析系统的进一步深入研究具有重要的意义和实际参考价值。 |
