CN101814745A - 一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统 - Google Patents

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郑恩让
胡世忠
张玲
高飞
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Abstract

本发明涉及一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，系统包括一个变频器2接于电网1后，用来控制模拟叶片的电动机3，一部无刷同步风力发电机4接于电动机3后面，由发电机发出的电流通过一个基于AFE的全功率整流逆变电路5再接回电网1，整个系统形成一个闭环回路。控制系统6用来控制变频器2和基于AFE的全功率整流逆变电路5，完成系统的控制功能。本模拟系统采用的是无刷同步风力发电机，由于没有滑环和电刷，提高了系统的可靠性和安全性。同时本模拟系统基于AFE的全功率整流逆变电路，不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有良好的动态特性。

Description

一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统
技术领域
本发明属于风力发电模拟系统领域，涉及一种风力发电模拟系统，尤其是一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统。
背景技术
我国进入风力发电技术的研究和开发阶段以来，风力发电技术无论在科学研究方面，还是在设计制造方面均有了不小的进步和提高，但是现在的事实是风力发电的核心技术还不被我国所掌握，风力发电水平还不高，所以很有必要加强风电技术的研究，但是目前国内关于风力发电的模拟系统还不多，尤其没有一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统。而且，由于受到风力场、风电机组的试验投资成本、场地等条件的限制，在实际中研究风力发电系统的各种特性、控制方案等受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，该系统可以为进一步研究风力发电技术提供方案，同时解决实际研究中风力场、风电机组投资成本、场地等条件的限制问题。而且该系统能量转换率高，由于没有滑环和电刷，可以有效提高系统的可靠性和安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，包括电网、变频器和电动机，另外还包括有一无刷同步风力发电机，所述变频器的输入端连接在电网上，变频器的输出端与电动机连接，电动机的输出轴连接到无刷同步风力发电机的输入轴上，发电机的电流输出端连接有一整流逆变电路，所述整流逆变电路的输出端连接到电网上；所述整流逆变电路和变频器还连接有一控制模块。
上述整流逆变电路是基于AFE的全功率整流逆变电路。
上述控制模块包括微处理器以及分别与微处理器连接的控制台和信号采集模块，所述微处理器还分别通过第一驱动电路和第二驱动电路与变频器和四象限整流逆变电路连接；所述信号采集模块采集无刷同步风力发电机的状态数据并传送给微处理器，微处理器将信号采集模块的数据进行处理，显示于控制台上，控制台向第一驱动电路和第二驱动电路分别发出信号，驱动变频器和整流逆变电路工作。
上述信号采集模块采集无刷同步风力发电机的状态数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速。
在以上所述控制台上设定控制参数，所述控制参数是根据信号采集模块采集到无刷同步风力发电机的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。
上述微处理器为编程控制器、PCC或者单片机。
进一步的，上述微处理器采用西门子S7-300可编程控制器。
本发明的模拟系统采用变频器2和电动机3模拟风力发电系统的叶片部分，通过无刷同步风力发电机发电，其中采用的是无刷同步风力发电机，由于没有滑环和电刷，提高了系统的可靠性和安全性。另外本发明在无刷同步风力发电机发电的输出端接了一个整流逆变电路，不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有良好的动态特性。
附图说明
图1为发明的结构示意图；
图2为控制模块6的结构框图。
其中：1为电网；2为变频器；3为电动机；4为无刷同步风力发电机；5为整流逆变电路；6为控制模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的该种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，包括电网1、变频器2、电动机3和无刷同步风力发电机4。变频器2的输入端连接在电网1上，变频器2的输出端与电动机3连接，电动机3的输出轴连接到无刷同步风力发电机4的输入轴上，发电机4的电流输出端连接有一整流逆变电路5，其中整流逆变电路5是基于AFE的全功率整流逆变电路，整流逆变电路5的输出端连接到电网1上使整个系统形成一个闭环回路。另外整流逆变电路5和变频器2还连接有一控制模块6，控制系统6用来控制变频器2和基于AFE的全功率整流逆变电路5，完成系统的控制功能。
控制模块6如图2所示，该模块由微处理器101，控制台102，第一驱动电路103和第二驱动电路104，以及信号采集模块105组成。微处理器101分别与控制台102和信号采集模块105连接，所述微处理器101还分别通过第一驱动电路103和第二驱动电路104与变频器102和整流逆变电路5连接；信号采集模块105采集无刷同步风力发电机4的状态数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速(这些数据主要来自变频器2和AFE以及电机编码器)，并将这些数据传送给微处理器101，微处理器101将信号采集模块105的数据进行处理，显示于控制台102上，在控制台102上设定控制参数，控制参数是根据信号采集模块105采集到无刷同步风力发电机4的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。控制台102向第一驱动电路103和第二驱动电路104分别发出信号，驱动变频器2和整流逆变电路5工作，使电动机3模拟风力机转动，同时模拟发电机的输出通过AFE(整流逆变电路5)并网，从而达到其控制的目的。
以上微处理器101可以采用编程控制器、PCC或者单片机。本发明的最佳方案中微处理器101选用西门子S7-300可编程控制器。
以上所述的控制台2是一人机界面，采用西门子MP277人机界面触摸屏，该触摸屏直接与微处理器101-西门子S7-300PLC进行通信，传感器采集到的各种数据经PLC处理后可直接显示在该触摸屏上。在系统搭建过程中，采用西门子组态软件对该人机界面进行组态，根据系统的功能，本发明中共组态3个模块，即：系统启停模块，参数设置模块，系统运行监控模块。系统起停模块组态3个按钮：启动，停止和急停，其中急停用于系统出现突发故障的情况。参数设置模块中可设置变频器2和AFE5的参数，包括控制方式的设置，最低运行频率，最高运行频率，载波频率，电机参数(额定功率、电压、电流、转速、最大频率)，跳频参数。系统运行监控模块中的监控对象有定子电压，定子电流，转子电压，转子电流，电机转速，电机温度，频率，这些数据均可在该模块中实时显示，发现监控对象的数据出现超额变动时可直接切换到参数设置模块中修改参数，以保证系统的正常运行。
本模拟系统的具体原理如下：
变频器2接于电网1后面，通过不同的频率设定来改变电动机3的转速，使得电动机3的转速是可变的；而电动机3运行可以带动后面的无刷同步风力发电机4转动来发电，所以变频器2和电动机3这两个部分是用来模拟风机的叶片，电动机3的运行表示叶片的转动，而受变频器2控制的电动机3转速的可变性表示实际中风速的变化性。接于电动机3后面的无刷同步风力发电机4用来将“模拟的风能”(即电动机3的输出动能)转换为电能。本系统中无刷同步风力发电机4在电压调节和工作效率以及可靠性等方面，比其他发电机系统有更好的稳定性和经济性；而且具有同等功率下体积小、效率高和安装方便的特点；同时由于没有滑环和电刷，提高了系统的可靠性和安全性。接于风力发电机后面的是一个基于AFE的全功率整流逆变电路5，来实现电流的并网。其中主动前端AFE(Active Front End)具备了很多主动的控制功能，它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有良好的动态特性。由于采用的是可以实现全功率整流逆变的电路5，使得整个系统能够提高供电电源的质量，而且将发电机组和电网隔离，能实现低电压穿越，保证整体电网的安全的优点。基于AFE的全功率整流逆变电路5接回电网1，使得系统成为一个闭环回路的整体。控制系统6用来控制变频器2和基于AFE的全功率整流逆变电路5，完成系统的控制功能。
综上所述，本模拟系统的设计方案是基于无刷同步风力发电机的风力发电系统，与直驱永磁方案相比，不存在磁性减弱、发电机结构复杂、电机制造难度和体积加大等问题，更有利于分散系统危险，技术风险更小；与异步双馈方案相比，又具有并网容易、电能质量高等优点。而且由于AFE的引入，使得系统不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有良好的动态特性。

Claims (7)

1.一种基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，包括电网(1)、变频器(2)和电动机(3)，其特征在于：还包括有一无刷同步风力发电机(4)，所述变频器(2)的输入端连接在电网(1)上，变频器(2)的输出端与电动机(3)连接，电动机(3)的输出轴连接到无刷同步风力发电机(4)的输入轴上，发电机(4)的电流输出端连接有一整流逆变电路(5)，所述整流逆变电路(5)的输出端连接到电网(1)上；所述整流逆变电路(5)和变频器(2)还连接有一控制模块(6)。
2.根据权利要求1所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：所述整流逆变电路(5)是基于AFE的全功率整流逆变电路。
3.根据权利要求1所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：所述控制模块(6)包括微处理器(101)以及分别与微处理器(101)连接的控制台(102)和信号采集模块(105)，所述微处理器(101)还分别通过第一驱动电路(103)和第二驱动电路(104)与变频器(102)和整流逆变电路(5)连接；所述信号采集模块(105)采集无刷同步风力发电机(4)的状态数据并传送给微处理器(101)，微处理器(101)将信号采集模块(105)的数据进行处理，显示于控制台(102)上，控制台(102)向第一驱动电路(103)和第二驱动电路(104)分别发出信号，驱动变频器(2)和整流逆变电路(5)工作。
4.根据权利要求3所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：所述信号采集模块(105)采集无刷同步风力发电机(4)的状态数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速。
5.根据权利要求3所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：在控制台(102)上设定控制参数，所述控制参数是根据信号采集模块(105)采集到无刷同步风力发电机(4)的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。
6.根据权利要求3所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：所述微处理器(101)为编程控制器、PCC或者单片机。
7.根据权利要求6所述的基于无刷同步发电机的风力发电模拟系统，其特征在于：所述微处理器(101)采用西门子S7-300可编程控制器。
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