CN101430246A - 风力发电模拟试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电模拟试验平台，包括上位机系统、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、变频器和原动机；第一处理器输出原动机的转矩值给变频器，由变频器通过直接转矩控制控制原动机；发电机特性分析系统包括风力发电机和第二处理器；风力发电机通过传动轴与原动机相连，风力发电机输出的三相电压和三相电流经过隔离、放大和A/D电路处理后输入到第二处理器，第二处理器对电能质量进行分析后将结果送往上位机系统。本发明适应各种风力机参数的模拟，能对发电机电能输出特性进行实时分析和存储。

Description

风力发电模拟试验平台

技术领域

本发明是一种风电机组模拟和测试的技术。主要用于在实验室环境下模拟风电场实际情况，并测试发电机的输出特性。

背景技术

目前实际运行的风力发电机，风能的利用效率任有很大的提升空间。同时随着近年无刷双馈发电机研究的兴起，风力发电模拟系统的风力机模拟变得必要和迫切起来。因此在风力机安装之前，需要提前进行发电机的性能测试验证发电机的设计及其算法，完善整套的风力发电系统的控制策略。而要在不具备风电场运行环境的实验室进行风力发电机组的试验，必须建立一个能模拟风电场风能特性和测试风电机组性能的风力发电模拟试验平台。

对风机的模拟按模拟特性可分为静态模拟和动态模拟。其模拟方法的思路基本是一样的。核心思想都是：控制模拟系统的原动机在稳态时的输出转矩(功率)和转速的对应关系与实际风力机的转矩(功率)和转速的对应关系一样。由于只考虑了稳态的情况，这些模拟系统模拟的只是静态的过程。虽然静态模拟系统可以研究风力机在稳态时的性质，尤其是对最大风能捕获的研究。但是，对于风力机的动态过程却无法模拟，而实际的风力机发电系统由于风速和负载的经常变化是经常处在动态变化过程的，所以只是静态模拟并不能满足进一步研究的需要。

相比现有的研究基础，《风力发电机组风轮功率输出特性模拟试验方法》(CN1936351，沈阳工业大学)本发明提出更精确的风速模型，更适合于模拟实际风电场的工况。并对各功能模块进行模块化设计，使得系统更加具有通用性。对各种类型风机只需要改变软件参数就能达到模拟的效果。

现有动态模拟的方法，是将原动机同步电机的参考电磁转矩与风轮转速联系起来，使得同步电机的电磁转矩与风轮的气动转矩具有相同的变化规律，同时通过增加减速齿轮箱和配置模拟系统的转动惯量与风力机一样大小，来实现动态模拟风力机风轮。

同步电机经过减速齿轮箱输出低速转矩，齿轮箱的减速比按照同步电机以及风轮的工作转速范围确定。一旦确定减速比，风轮惯量、转矩、阻力等在同步电机轴上的等效参数就可以得出。电机的电磁转矩与风轮的气动转矩的等效值相等。图中k为传动链等效弹性系数，它是转矩与转差角的比例系数，为简单计k取无穷大。

假设减速比为1：n，同步电机轴上的转子惯量为J_m，风轮惯量为J_a，等效阻力矩T_L，则可以将风轮的惯量折算到电机轴上的附加惯量J_l，及风轮气动转矩在电机轴上的等效转矩即电磁转矩。改变J_l即改变风轮的惯量，而改变电磁转矩即改变风轮的气动转矩。

$\left\{\begin{array}{c}{J}_l=\frac{1}{n^2}{J}_a-J_a\\ F_m=\frac{1}{n}{F}_a\\ T_e=\frac{1}{n}{T}_a\\ T_l=\frac{1}{n}{T}_L\end{array}\right.$

则： $T_e=J_l{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_m+T_l+F_m{\widehat{\mathrm{\θ}}}_m$

利用式上面两个公式配置模拟装置的惯量，控制原动机的电磁转矩，可以实现动态的模拟风力机。但是模拟不同的风力机，除了在软件上改变风力机的转矩—转速曲线，最重要是需要改变机械装置，以适合风力机的惯量。而改变机械装置是一件费时、麻烦的事情。因此，要构造一个灵活、适应各种风力机参数的模拟装置，需另寻可行的方法。

现有的试验平台不能对发电机电能输出特性进行实时分析和存储。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种风力发电模拟试验平台。

一种风力发电模拟试验平台，其特征在于包括上位机系统、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、变频器和原动机；第一处理器输出原动机的转矩值给变频器，由变频器通过直接转矩控制控制原动机；

发电机特性分析系统包括风力发电机和第二处理器；风力发电机通过传动轴与原动机相连，风力发电机输出的三相电压和三相电流经过隔离、放大和A/D电路处理后输入到第二处理器，第二处理器对电能质量进行分析后将结果送往上位机系统。

进一步地，还包括风速仪，风速仪的风速信号经过单片机处理后传送给第一处理器。

进一步地，所述变频器为ACS800变频器，第一处理器通过RMBA—01适配器模块与ACS800变频器进行通信。

进一步地，风力机模拟系统还包括设置于原动机上的转速编码盘，转速编码盘将原动机的转速信号传送到第一处理器。

进一步地，风力发电机为无刷双馈风力发电机。

本发明构建了一个灵活、适应各种风力机参数的模拟装置。对发电机实现了动态模拟。对从风速的产生到风轮转矩产生之间实现模块化的处理，方便系统的维护和升级，提高了系统的通用性。实现了对发电机的电能输出指标进行在线的分析处理。

本发明通过基于统计模型和ARMA模型的风速模型，建立了实验室的模拟风，能很好模拟风电场的实际运行风速。接着对风轮、传动轴、齿轮箱、变浆距系统以及气动转矩的脉动特性进行建模，以达到模拟真实风力机运行特性的目的。最后通过一套检测装置实时检测发电机的电能输出特性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、实现了针对风电场风况的风速模拟。

2、对风速、风轮、传动轴、齿轮箱、变浆距系统以及气动转矩的脉动特性进行模块化设计。从而具有很强的兼容和通用性。

3、能在线对风力机组的电能输出特性进行分析，绘制风速、电压、电流、谐波、风速-功率曲线。并实现对这些数据的存储。

附图说明

图1是风力发电模拟试验平台的总体结构示意图；

图2是风速采集的结构示意图；

图3是风力机模拟系统的结构示意图；

图4是发电机特性分析系统的结构示意图；

图5是上位机系统与第一处理器之间需传递的参数列表；

图6风力发电模拟试验平台的总体响应时序；

图7上位机内的主程序流程图。

具体实施方式

本系统的实施包括硬件和软件，其中总体的硬件构架如图1所示。软件包括模拟风速、风轮、传动轴、齿轮箱、变浆距系统以及气动转矩的脉动特性；风速采集；发电机输出电能检测部分的设计。

系统的硬件配置包括异步电动机、BDFM、ABB变频器、OMRON编码盘、ARM上位机系统、两个DSP系统、一个单片机系统、以及一些外围电路。

系统的总体响应时序如图6所示。

1、各部件说明

·异步电动机

原动机采用广东省顺德市顺联机电厂生产的Y200L2-6型三相鼠笼式异步电动机。

·发电机

可以采用任何形式的风力发电机，这里采用一个无刷双馈风力发电机BDFM。

·ABB变频器及其扩展模块

ACS800和RMBA-01适配器模块，前者用于产生直接转矩控制对原动机进行控制，后者用于和第一处理器进行通信，从而可以自动实现对变频器的调节。

·OMRON转速编码盘

用于产生发电机的转速脉冲，通过RS—232与第一处理器相连，由第一处理器计算发电机的转速。

·ARM上位机系统

用于监控和协调整个系统的工作，显示和记录发电机的电能输出特性。

·风力机模拟系统

风力模拟部分的实现，实现从风速的产生到风轮输出转矩的模拟。如图3所示。

·发电机特性分析系统

用于分析发电机输出的电流、电压、功率的数据。如图4所示。

·单片机

采用STC4052单片机，采集从风速仪下来的风速信号，并通过M8141串口转并口模块传给DSP1#系统。如图2所示。

2、模拟算法

2.1  风速的模拟

结合了统计风速模型和ARMA模型的特点，根据统计风速模型计算出一个600s内保持不变的平均风速，利用该平均风速和事先给定的T_I、L和T_S计算出湍流分量。通过公式v_w(k)＝v_w(kT_ws)＝v+v_t(k)计算风速的模拟量。

对于符合统计风速模型的平均风速的算法为：采用反函数法，设X为随机变量，概率分布为 $F\left(v\right)=1-\exp [-{\left(\frac{v}{c}\right)}^k],$ 由于F(·)是非减函数且值域为[0，1]，其逆函数F^-1(·)在[0，1]上有定义。设U是[0，1]上均匀分布的随机变量，则有

P_t{F^-1(U)≤y}＝P_t{U≤F(y)}＝F(y)

那么，变量x＝F^-1(y)的概率分布函数必为F(·)。因此要产生服从Weibull分布F(·)的随机数v，就只要生产[0，1]上均匀分布的随机数U，然后通过公式F^-1(U)即可求得v。

2.2  风轮模型

风轮的动态方程为： $J_{\mathrm{WT}}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{WT}}}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{WT}}-T_{\mathrm{LS}}-K{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}$

其中，J_WT风轮的转动惯量，kgm²；ω_WT为风轮转动角速度，rad/s；T_WT为风轮所吸收的气动力矩，Nm；T_LS为主传动轴传递给刚性齿轮的扭矩，Nm；K为阻尼系数。

2.3  传动机构模型

主动轴的扭矩可表示为，其中，K为主传动轴的弹性系数；θ_WT为风轮的角位移，θ_LS为低速齿轮的角位移，两者之差为主传动轴的相对位移角；B_LS为主传动轴的阻尼系数；ω_WT、ω_LS分别为风轮和低速轴的转速。

增速齿轮箱为完全刚性的，其特性可表示： $n_g=\frac{T_{\mathrm{LS}}}{T_{\mathrm{HS}}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{GEN}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LS}}}.$

其中n_g为齿轮对的变比；ω_GEN与ω_LS分别为次传动轴与主传动轴的转速；T_LS和T_HS分别为主传动轴和次传动轴的扭矩。

2.4  风轮和传动轴的模拟方法

我们的模拟平台采用的是原动机和双馈发电机轴直接相连的结构，因此我们需要模拟的也是最终加载到发电机的转矩T_HS。 $T_{\mathrm{HS}}=\frac{T_{\mathrm{WT}}-J_{\mathrm{WT}}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{WT}}}{\mathrm{dt}}-K{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}}{n_g},$

取整个模拟系统的计算步长为ΔT_s，离散的T_HS，

$T_{\mathrm{HS}}\left(k\right)=\frac{T_{\mathrm{WT}}\left(k\right)-J_{\mathrm{WT}}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}(k-1)}{\mathrm{\Δ}{T}_s}-K{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}\left(k\right)}{n_g}.$

3、工作流程

图6为总体响应时序。

ARM上位机系统处理人机界面和记录工作。用户可以通过人机界面输入模拟系统所需要的各种参数，ARM上位机系统将用户设定的参数通过串行口下载至第一处理器中，以进行相应的模拟。ARM上位机系统同时与第二处理器通信，获取发电机输出的电能特性，然后把电能特性显示和记录下来。

第一处理器负责模拟风力机特性。它从ARM上位机系统获取模拟参数，然后通过实现的算法，模拟实际的风力机特性，计算出需要输出给原动机的转矩值。随后转矩值送给变频器，由变频器通过直接转矩控制控制原动机，从而实现风力机的模拟。第一处理器也可以直接利用实测的风速代替模拟的风速。

第二处理器采样发电机输出的三相电压和三相电流，进行电能质量的分析，并将分析的结果通过SCI通信口送往ARM上位机系统。

作为一个可选功能，单片机从风速仪上采集风速脉冲，经过计算，把风速信号以1s为间隔向第一处理器发送连续的风速信号。

4、程序设计

4.1  ARM上位机系统程序设计

ARM程序的功能主要包括：图形界面、串口通信、数据存储。为了提高ARM程序的响应速度，我们将ARM程序划分为两个线程：主线程和串口线程，工作线程之间通过消息来实现通信。主线程负责界面的绘制、响应用户操作、消息处理和一些简单的计算。主线程同时也负责与第一处理器通信，把用户输入的模拟参数发送给第一处理器，这个工作只在需要更改实验参数时进行。串口线程完成与第二处理器的信息交互，接收第二处理器发送的电能质量数据，并把这些数据通过消息发送给主线程。其程序流程图如7所示。

4.2  单片机程序设计

由于风速仪产生的风速是一个脉冲信号，所以必须转化为DSP能识别的的数字信号，所以通过一个增强型51单片机4052实现这一功能。在1s的时间内，把风速脉冲信号转化为实际的风速，并实行编码，通过RS—485传输到地面，然后用一个485转232的接口将485信号转化为232信号，接上一个GM8141串口转并口的转化器，最后通过SPI实现与第一处理器的通信

4.3  模拟风电机系统程序设计

模拟风力机特性的工作由第一处理器来完成。模拟工作主要包括：实时风速模拟、桨距角控制模拟、桨距角执行机构模拟、气动转矩模拟和风轮加速度模拟。风速模拟中，平均风速和风速模型参数每600s更新一次，风速模拟间隔默认为1s，系统的得模拟步长为200ms。由于桨距角控制跟发电机关系较紧密而桨距角执行机构则根据不同风机变化较大，采取一个函数—FController()来对这两个部分的模拟进行封装和简化。

4.4  发电机特性分析系统程序设计

第二处理器程序是发电机特性分析系统的核心，主要实现对发电机输出信号的采集和计算处理。第二处理器接收到ARM的指令(用户指令)后，对指令进行译码，然后进行相应的数据分析和计算，处理完毕后往ARM上位机系统回送相关的数据。

主程序大致完成以下任务：系统初始化(包括系统时钟初始化、片内外设初始化、PIE中断向量表初始化、用户全局变量初始化等)、外部A/D初始化、全局中断寄存器配置、开全局中断等。上述的任务完成以后，系统进入程序的核心部分：根据通信状态标志，进行不同的处理方式，所有的数据处理算法也是在这一部分实现。

Claims (5)

1、一种风力发电模拟试验平台，其特征在于包括上位机系统、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、变频器和原动机；第一处理器输出原动机的转矩值给变频器，由变频器通过直接转矩控制控制原动机；

发电机特性分析系统包括风力发电机和第二处理器；风力发电机通过传动轴与原动机相连，风力发电机输出的三相电压和三相电流经过隔离、放大和A/D电路处理后输入到第二处理器，第二处理器对电能质量进行分析后将结果送往上位机系统。

2、根据权利要求1所述的风力发电模拟试验平台，其特征在于还包括风速仪，风速仪的风速信号经过单片机处理后传送给第一处理器。

3、根据权利要求1所述的风力发电模拟试验平台，其特征在于变频器为ACS800变频器，第一处理器通过RMBA—01适配器模块与ACS800变频器进行通信。

4、根据权利要求1所述的风力发电模拟试验平台，其特征在于风力机模拟系统还包括设置于原动机上的转速编码盘，转速编码盘将原动机的转速信号传送到第一处理器。

5、根据权利要求1所述的风力发电模拟试验平台，其特征在于所述风力发电机为无刷双馈风力发电机。

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