一種適用于小功率風(fēng)電變流器的參數(shù)可調(diào)的實時監(jiān)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)電變流器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種適用于小功率風(fēng)電變流器的參數(shù)可 調(diào)的實時監(jiān)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來，風(fēng)力發(fā)電作為一種具有廣泛應(yīng)用前景的新能源技術(shù)得到大力發(fā)展。與 此同時，作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，風(fēng)電變流器因其可以實現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)的變速恒 頻發(fā)電，提高運行效率，提升風(fēng)能利用率等優(yōu)點，也越來越受到重視。而隨著分布式能源、微 網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，針對民用的小功率風(fēng)電變流器（一般為幾千瓦）及其風(fēng)電機(jī)組開始得到越 來越多的應(yīng)用。
[0003]需要特別指出的是，民用的小功率風(fēng)電變流器及其風(fēng)電機(jī)組，往往以單臺或者幾 臺組網(wǎng)的形式出現(xiàn)。同時，風(fēng)機(jī)所發(fā)電通過風(fēng)電變流器、變壓器等設(shè)備，最終以單相交流電 形式并入民用用電進(jìn)線端。而為了方便實現(xiàn)對于單臺及多臺風(fēng)電變流器組網(wǎng)時的監(jiān)測與控 制，小功率的風(fēng)電變流器本身需包含控制單元和通信接口，方便上位機(jī)等對其進(jìn)行監(jiān)控。與 民用的小功率風(fēng)電變流器相匹配的風(fēng)機(jī)，為了減少齒輪箱等中間傳動結(jié)構(gòu)，往往采用直驅(qū) 式永磁同步發(fā)電機(jī)。
[0004]MODBUS協(xié)議已經(jīng)成為工控領(lǐng)域全球最流行的標(biāo)準(zhǔn)，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、 RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，MODBUS協(xié)議的好處是其定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消 息結(jié)構(gòu)，并沒有規(guī)定物理層，也不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。因此，利用MODBUS 協(xié)議作為小功率風(fēng)電變流器的通訊協(xié)議可以有效地降低成本，同時也方便對于使用MODBUS 協(xié)議的不同設(shè)備之間進(jìn)行監(jiān)控。
[0005] 現(xiàn)有的民用的小功率風(fēng)電變流器中，沒有給出基于MODBUSRTU協(xié)議的通訊接口技 術(shù)方案，也沒有相關(guān)的針對小功率風(fēng)電變流器的參數(shù)可調(diào)的實時監(jiān)控方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種適用于小功率風(fēng)電變流器的參數(shù)可調(diào)的實時監(jiān)控方 法，其特征在于：該方法將由小功率風(fēng)電變流器發(fā)送至上位機(jī)的實時參數(shù)和上位機(jī)發(fā)送至 小功率風(fēng)電變流器的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與控制指令，按照改進(jìn)的MODBUSRTU協(xié)議，在小功率風(fēng) 電變流器與上位機(jī)之間進(jìn)行通訊；
[0007] 所述小功率風(fēng)電變流器包括三相PWM整流模塊、三相PWM逆變模塊、驅(qū)動微機(jī)模 塊、控制微機(jī)模塊、通訊接口和電源模塊，其一端連接永磁同步發(fā)電機(jī)，另一端連接電網(wǎng)；所 述驅(qū)動微機(jī)模塊負(fù)責(zé)三相PWM整流模塊和三相PWM逆變模塊PWM信號的產(chǎn)生；所述控制微 機(jī)模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)運行、保護(hù)，實時參數(shù)的采集，并通過通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊；
[0008] 所述參數(shù)可調(diào)的實時監(jiān)控方法包括以下步驟：
[0009] (1)對于發(fā)電機(jī)側(cè)的三相PWM整流模塊采用矢量控制，其控制原理是采用速度外 環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，該步驟通過以下幾個子步驟來實現(xiàn)：
[0010] (i)利用電流霍爾傳感器測得實際三相電流isa、isb、is。，結(jié)合編碼器測得轉(zhuǎn)子位置 信號Θ，利用坐標(biāo)變換即可得到dq坐標(biāo)下的實際電流isd、isq;
[0011] (ii)實際速度ω通過編碼器測得；外環(huán)角速度的參考值是結(jié)合最大功率點跟 蹤算法（ΜΡΡΤ)，可以使發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行時工作于相應(yīng)風(fēng)速的最大功率點；
[0012] (iii)通過參考速度與實際反饋的電機(jī)速度ω相比較，再經(jīng)過ΡΙ調(diào)節(jié)器得到 q軸電流的參考值4/;d軸電流參考值=_〇.，從而使電流全部用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；
[0013] (iv)改變&的值，從而改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，跟蹤最優(yōu)速度ω%使發(fā)電機(jī)達(dá)到 新的穩(wěn)定狀態(tài)；
[0014] (2)對于電網(wǎng)側(cè)的三相PWM逆變模塊控制策略為有功和無功功率的解耦控制，采 用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包括直流側(cè)電壓的外環(huán)和無功電流的給定內(nèi)環(huán)，該步驟通過以下幾個 子步驟實現(xiàn)：
[0015] (i)利用電流霍爾傳感器測得實際三相電流1、、丨。，結(jié)合諧振式？1^測得電網(wǎng)電 壓相位角Θi，利用坐標(biāo)變換即可得到dq坐標(biāo)下的實際電流id、iq;
[0016] (ii)電壓外環(huán)用于控制電壓源型逆變器直流側(cè)的電壓，直流側(cè)電壓參考值~與 實際電壓Ud。相比較，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到d軸電流參考值
[0017] (iii)q軸電流的參考值茍是由無功功率參考值?Τ得到的，當(dāng)無功給定為〇,即?Τ =0時，霉=此時系統(tǒng)無功功率為0,電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1 ;
[0018] (3)最大功率點跟蹤控制（ΜΡΡΤ)米用的是功率彳目號反饋法，功率彳目號反饋法是測 量出風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速ω，并根據(jù)風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，計算出與該轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的風(fēng)力機(jī)的 最大輸出功率Ρ_，將它作為風(fēng)力機(jī)的輸出功率給定值Ρ%并與發(fā)電機(jī)輸出功率的觀測值Ρ 相比較得到誤差量，經(jīng)過調(diào)節(jié)器對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤控制，該步 驟通過以下幾個子步驟實現(xiàn)：
[0019] ⑴根據(jù)公式Ρ=ΤΩ，而電磁轉(zhuǎn)矩τ又與q軸電流分量isq成正比，因此在實際使 用功率信號反饋法進(jìn)行最大功率點跟蹤控制時，是轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的轉(zhuǎn)速ω和q軸電流分量isq 作為給定參考值；在實際使用MPPT曲線時，可以有兩種類型，即功率與轉(zhuǎn)速曲線P/n或功率 與頻率曲線P/f;
[0020] (ii)當(dāng)使用功率與轉(zhuǎn)速曲線P/n時，轉(zhuǎn)速給定值ω$和q軸電流分量給定值i:計 算公式：
[0021]
[0022] 其中P為MPPT曲線中的功率，η為轉(zhuǎn)速，ρ為電機(jī)極對數(shù)，Φf為轉(zhuǎn)子磁鏈，ω為 機(jī)械角速度；
[0023] (iii)當(dāng)使用功率與頻率曲線P/f時，轉(zhuǎn)速給定值和q軸電流分量給定值i: 計算公式：
[0024]
[0025]兵Tt刀電用?反尸膽tfj頻率，p為電機(jī)極對數(shù)，itf為轉(zhuǎn)子磁鏈，ω為機(jī)械角 速度；
[0026] (4)基于以上三種控制策略，得到風(fēng)電變流器的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)為：
[0027] (i)MPPT曲線，具體包括功率與轉(zhuǎn)速曲線Ρ/η和功率與頻率P/f兩種形式；
[0028] (ii)電機(jī)參數(shù)，具體包括電機(jī)極對數(shù)p、額定功率P、額定轉(zhuǎn)速n、額定電流I、直軸 電感Ld、交軸電感Lq、定子相電阻Rs和轉(zhuǎn)子磁鏈Φf;
[0029](iii)PI參數(shù)，具體包括直流母線電壓環(huán)PI、網(wǎng)側(cè)逆變電流環(huán)PI、機(jī)側(cè)電流環(huán)PI和 機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速環(huán)PI;
[0030] (5)利用控制微機(jī)模塊，采集所需要監(jiān)測的實時參數(shù)，所述實時參數(shù)包括電網(wǎng)側(cè)電 壓、電網(wǎng)側(cè)電流、電網(wǎng)頻率、電機(jī)側(cè)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、母線電壓；
[0031] (6)實時參數(shù)、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和控制指令的傳輸采用改進(jìn)的MODBUSRTU協(xié)議，BP 結(jié)合MODBUSASCLL模式下具有專用的起始幀和結(jié)束幀的優(yōu)點，將標(biāo)準(zhǔn)MODBUSRTU模式下 多3. 5字符作為判斷開始和結(jié)束的條件去除，改為在報文中增加開始幀和結(jié)束幀，便于串 口通訊，其數(shù)據(jù)幀格式如下：
[0032]
[0033] (7)要實現(xiàn)一種風(fēng)電變流器匹配多種永磁同步發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)參數(shù)可調(diào)，只需要將系 統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)按照步驟出）中的協(xié)議，由上位機(jī)發(fā)送至控制微機(jī)模塊，控制微機(jī)模塊保留相 關(guān)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)并按照步驟（1)、（2)和（3)中的控制策略進(jìn)行控制，即可完成匹配并順利 運行；
[0034] (8)要實現(xiàn)上位機(jī)對風(fēng)電變流器的實時監(jiān)測，只需將步驟（5)中的實時參數(shù)采集 后，按照步驟（6)中的協(xié)議實時地發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)處理后即可顯示相應(yīng)的實時參數(shù)；
[0035] (9)要實現(xiàn)上位機(jī)對風(fēng)電變流器的控制，只需將控制指令按照步驟（6)中的協(xié)議 發(fā)送至控制微機(jī)模塊，控制微機(jī)模塊即可采取相應(yīng)操作；所述控制指令包括開機(jī)、關(guān)機(jī)和緊 急保護(hù)。
[0036] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0037] 1、可以實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電變流器運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，便于及時發(fā)現(xiàn)、排 除故障，同時也可實現(xiàn)上位機(jī)對控制微機(jī)模塊的控制，在調(diào)試及下達(dá)命令時無需對變流器 進(jìn)行拆機(jī)操作，方便用戶操作；
[0038] 2、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)可以調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)小功率風(fēng)電變流器適配多種不同型號的永磁 同步發(fā)電機(jī)，降低成本；
[0039] 3、本發(fā)明基于MODBUSRTU協(xié)議并對其進(jìn)行了改進(jìn)，使得報文的起始和結(jié)束非常方 便判斷，便于利用串口通訊的控制微機(jī)模塊和上位機(jī)進(jìn)行