CN102305914A - 风力发电实验装置 - Google Patents
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Abstract
风力发电实验装置，包括风力机特性模拟部件，风力机特性模拟部件通过联轴器组分别与同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件相连，风力机特性模拟部件的三相交流异步电动机的电气端子ABC与变频器的输出端UVW相连接，所述的同步发电机-全功率部件包括同步发电机与主动整流单元的相连接，主动整流单元的输出端与第二有源逆变单元的输入端相连接，双馈发电部件包括异步双馈发电机的转子绕组端子UVW与四象限变频器的输出端子UVW相连接，风力机特性模拟部件将电能转化为机械能，同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件将机械能转换为电能送入电网，对风力发电系统主结构和系统效率进行研究和评估，具有结构简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及风力发电实验装置。
背景技术
随着风力发电技术的深入发展，变速恒频风力发电技术是当前的主流技术，异步双馈风力发电机组是当前风电机组的主流机型，而同步风力发电机组是当前新增机组的主要发展方向，这两种机型主要优点是机组可以在大范围调节转速，追踪最佳叶尖速比运行，使风能利用系数保持在最佳值，机组还可以控制有功功率和无功功率，改善电能质量。异步双馈发电机所配备的变流器为四象限变流器，同步发电机所配备的变流器为全功率变流器。同步发电机按励磁方式可分为电励磁式和永磁式，各有特点，电励磁式因为磁场可控为系统提供了一个控制变量因而控制系统更加灵活，永磁式因为磁极可以做很多因而可以省掉齿轮箱大大节约了成本。虽然同步发电机技术比较成熟，但是在风力发电中的应用才刚刚开始，很多特性和规律都需要进一步的研究。
一般的风力发电装置都是风力机通过齿轮箱将低速大转矩的机械功率转化为高速小转矩的机械功率驱动发电机，随着转速的变化，发电机发出变压变频的交流电而无法直接送入电网，为了实现并网，采用变流器将变压变频的交流电转换为工频恒压交流电并入电网，结构比较复杂，电能变换环节较多，耗损较大，因而效率较低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了风力发电实验装置，能够对风力发电系统主结构和系统效率进行研究和评估，对风力发电系统中各主要设备的运行规律进行研究，研究测试风力发电机的工作特性，为开发、研制、测试变流器和风力发电控制系统提供实验平台，具有结构简单的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
风力发电实验装置，包括风力机特性模拟部件，风力机特性模拟部件通过联轴器组分别与同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件相连。
所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机1，三相交流异步电动机1的电气端子ABC分别与变频器2的输出端UVW相连接，变频器2的输入端RST通过第一空气开关3与第一三相电源4相连接，三相交流异步电动机1的两个轴上分别安装第一联轴器5和第二联轴器6。
所述的同步发电机-全功率逆变部件有两种实现方式：
类型I，直流斩波稳压升压方案，包括同步发电机7，同步发电机7的轴通过第二联轴器6与三相交流异步电动机1的轴相连接，励磁电源8给同步发电机7提供励磁电流建立磁场，同步发电机7的电气输出端子UVW通过第二空气开关9与整流单元10的输入端子UVW相连接，整流单元10的输出端子与升压单元11的输入端相连接，升压单元11的输出端与第一有源逆变单元12的输入端相连接，第一有源逆变单元12的输出端子UVW与第二三相电源13相连接。
类型II，PWM整流方案，包括同步发电机7，同步发电机7的轴通过第二联轴器6与三相交流异步电动机1的轴相连接，励磁电源8给同步发电机7提供励磁电流建立磁场，同步发电机7的电气输出端子UVW通过第三空气开关14与主动整流单元15的输入端子UVW相连接，主动整流单元15的输出端与第二有源逆变单元16的输入端相连接，第二有源逆变单元16的输出端子UVW与第三三相电源17相连接。
所述的双馈发电部件包括异步双馈发电机18，异步双馈发电机18的轴通过第一联轴器5与三相交流异步电动机1的轴相连接，异步双馈发电机18定子绕组端子ABC通过第五空气开关21与第四三相电源22相连接，异步双馈发电机18的转子绕组端子UVW与四象限变频器19的输出端子UVW相连接，四象限变频器19的输入端子L1L2L3通过第四空气开关20与第四三相电源22相连接。
所述的变频器2是具有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制功能之一或这些控制功能组合的变频器。
所述的同步发电机7是无刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。
所述的整流单元10是二极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。
所述的第一有源逆变单元12，第二有源逆变单元16是具有回馈功能的变频器或PWM整流电路。
由于将同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件设置在一个实验装置内，能够对风力发电系统主结构和系统效率进行研究和评估，对风力发电系统中各主要设备的运行规律进行研究，研究测试风力发电机的工作特性，为开发、研制、测试变流器和风力发电控制系统提供实验平台，具有结构简单的特点。
附图说明
图1为本发明的风力机特性模拟部件结构图。
图2为本发明的同步发电机-全功率逆变部件结构图。
图3为本发明的双馈发电部件结构图。
图4为本发明的整体结构图。
图5为风力机的工作特性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理作详细说明。
风力发电实验装置，包括风力机特性模拟部件，风力机特性模拟部件通过联轴器组分别与同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件相连。
所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机1，三相交流异步电动机1的电气端子ABC与变频器2的输出端UVW相连接，变频器2的输入端RST通过第一空气开关3与第一三相电源4相连接，三相交流异步电动机1的两个轴上分别安装第一联轴器5和第二联轴器6。
所述的同步发电机-全功率逆变部件有两种实现方式：
类型I，直流斩波稳压升压方案，包括同步发电机7，同步发电机7的轴通过第二联轴器6与三相交流异步电动机1的轴相连接，励磁电源8给同步发电机7提供励磁电流建立磁场，同步发电机7的电气输出端子UVW通过第二空气开关9与整流单元10的输入端子UVW相连接，整流单元10的输出端子与升压单元11的输入端相连接，升压单元11的输出端与第一有源逆变单元12的输入端相连接，第一有源逆变单元12的输出端子UVW与第二三相电源13相连接。
类型II，PWM整流方案，包括同步发电机7，同步发电机7的轴通过第二联轴器6与三相交流异步电动机1的轴相连接，励磁电源8给同步发电机7提供励磁电流建立磁场，同步发电机7的电气输出端子UVW通过第三空气开关14与主动整流单元15的输入端子UVW相连接，主动整流单元15的输出端与第二有源逆变单元16的输入端相连接，第二有源逆变单元16的输出端子UVW与第三三相电源17相连接。
所述的双馈发电部件包括异步双馈发电机18，异步双馈发电机18的轴通过第一联轴器5与三相交流异步电动机1的轴相连接，异步双馈发电机18定子绕组端子ABC通过第五空气开关21与第四三相电源22相连接，异步双馈发电机18的转子绕组端子UVW与四象限变频器19的输出端子UVW相连接，四象限变频器19的输入端子L1L2L3通过第四空气开关20与第四三相电源22相连接。
所述的变频器2可以是具有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制功能之一或这些控制功能组合的变频器。
所述的同步发电机7是无刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。
所述的整流单元10是二极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。
所述的第一有源逆变单元12，第二有源逆变单元16是具有回馈功能的变频器或PWM整流电路。
参照图1，风力机特性模拟部件，采用变频器-三相交流异步电动机系统来模拟风力机的工作特性，主要功能就是将电能转化为机械能，风力机工作原理如图5所示，粗线条为功率曲线。根据变速恒频风力发电机组的不同运行区域，风力机的基本工作过程为：当低于额定风速，且风力机组的转速未达到极限时，机组工作在恒Cp区，机组跟踪popt(最佳功率)曲线运行，如图5中的风速v1～v2和功率曲线AB段，以获得最大能量；当低于额定风速，但机组达到转速极限时，机组工作在恒转速区，如图5中风速v2～v3和功率曲线BC段，此时机组保持转速不变，功率随风速增加；当高于额定风速而低于切出风速时，机组工作在恒功率区，如图中风速v3～vmax和功率曲线CD段，机组跟踪pmax曲线运行，并保持输出功率稳定。
风力机特性模拟就是协调控制三相交流异步电动机1的转速和转矩，使得三相交流异步电动机1的轴上的输出机械特性(转矩和转速特性)与风力机轴上的机械特性相一致。因此变频器2的转速、转矩给定方案为：恒Cp区时，转速由不同风速的最佳叶尖速比确定，转矩为最佳功率和转速之商；恒转速区时，转速为机组的额定转速，转矩由风速所对应的功率和转速来确定；恒功率区时，转速由风速对应的机组转速来确定，转矩为恒定功率和转速之商，当风力机型号确定后，以上参数都可以能过计算得出。
参照图2，同步发电机-全功率部件，将实验系统中的三相交流异步电动机1的输出轴通过第二联轴器6与同步发电机7的轴相连接，就构成全功率逆变型同步风力发电实验装置。同步发电机7输出电压的频率只取决于同步发电机7的转速，因此在变速风力发电机组中，同步发电机7发出的是“杂乱”交流，必须经过整流和有源逆变才能并网，同步发电机7接收风力机模拟部件的机械能开始运转，施加一定的励磁，同步发电机7便发出“杂乱”交流电。
在本发明的I型系统中，将同步发电机7发出的“杂乱”交流电经过整流单元10变成直流电，由于同步发电机7的转速同样会影响到发电机输出电压的幅值，因此整流后的直流电压可能不能满足逆变的要求，所以需要进行直流升压，当把达到逆变要求的直流电压送到第一有源逆变单元12就完成了并网发电。
在本发明的II型系统中，采用PWM整流电路直接将同步放电机7发出的“杂乱”交流整流成满足逆变要求的直流电压，然后直接送到第二有源逆变单元16完成并网发电。
此时，能量首先以电能的形式传递给风力机特性模拟部件，风力机模拟部件将电能转化为机械能传递给同步发电机7，同步发电机7将机械能再转化为非标准形式电能，电力电子电路将这种非标准形式的电能处理后传递回电网。
参照图3，双馈风力发电部件，将实验系统中的三相交流异步电动机1的一个输出轴通过第一联轴器5与异步双馈发电机18的轴相连接，就构成异步双馈风力发电实验模块。当风速的变化引起异步双溃发电机18转速n变化时，控制转子电流的频率f2，可使定子频率f1恒定，即应满足f1＝p(fm±f2)，
式中f1为定子电流频率，与电网频率相同，fm＝n/60为转子机械频率，p为电机的极对数，f2为转子电流频率。f1是系统的约束条件。
当转子转速低于定子旋转磁场转速时，异步双馈发电机18处于亚同步状态，此时四象限变频器19向发电机转子提供一交流电流，频率f2＝(f1-fm)/p，形成的旋转磁场与转子旋转方向相同，此时异步双馈发电机18的定子绕组向电网输出功率，转子绕组吸收功率；当转子的转速高于定子旋转磁场的转速时，发电机18处于超同步状态，此时四象限变频器19向发电机转子提供一交流电流，频率f2＝(fm-f1)/p，形成的旋转励磁与转子旋转方向相反，此时异步双馈发电机18的定子绕组、转子绕组同时输出功率；当转子转速等于异步双馈发电机18的同步转速n0时，处于同步状态，四象限变频器19向转子提供直流励磁建立转子磁场。因此，当发电机的转速变化随风速而发生变化时，控制四象限变频器19向异步双馈发电机18的转子绕组的输入f2，就可使保持f1恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了异步双馈发电机的并网发电。
能量的流动形式为，风力机模拟部件将电能转化为机械能，异步双馈发电机18吸收机械能而形成一定的转速，当转速低于同步转速时，异步双馈发电机18转子回路再通过四象限变频器19接收一少部分电能，异步双馈发电机18将吸收的机械能转化为电能通过定子绕组送回电网；当转速高于同步转速时，异步双馈发电机18将吸收到的机械能转化为电能通过定子绕组直接、转子绕组间接送回电网。
Claims (5)
1.风力发电实验装置，其特征在于，包括风力机特性模拟部件，风力机特性模拟部件通过联轴器组分别与同步发电机-全功率逆变部件和双馈发电部件相连；
所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机(1)，三相交流异步电动机(1)的电气端子ABC与变频器(2)的输出端UVW相连接，变频器(2)的输入端RST通过第一空气开关(3)与第一三相电源(4)相连接，三相交流异步电动机(1)的两个轴上分别安装第一联轴器(5)和第二联轴器(6)；
所述的同步发电机-全功率逆变部件有两种实现方式：
类型I，直流斩波稳压升压方案，包括同步发电机(7)，同步发电机(7)的轴通过第二联轴器(6)与三相交流异步电动机(1)的轴相连接，励磁电源(8)给同步发电机(7)提供励磁电流建立磁场，同步发电机(7)的电气输出端子UVW通过第二空气开关(9)与整流单元(10)的输入端子UVW相连接，整流单元(10)的输出端子与升压单元(11)的输入端相连接，升压单元(11)的输出端与第一有源逆变单元(12)的输入端相连接，第一有源逆变单元(12)的输出端子UVW与第二三相电源(13)相连接；
类型II，PWM整流方案，包括同步发电机(7)，同步发电机(7)的轴通过第二联轴器(6)与三相交流异步电动机(1)的轴相连接，励磁电源(8)给同步发电机(7)提供励磁电流建立磁场，同步发电机(7)的电气输出端子UVW通过第三空气开关(14)与主动整流单元(15)的输入端子UVW相连接，主动整流单元(15)的输出端与第二有源逆变单元(16)的输入端相连接，第二有源逆变单元(16)的输出端子UVW与第三三相电源(17)相连接；
所述的双馈发电部件包括异步双馈发电机(18)，异步双馈发电机(18)的轴通过第一联轴器(5)与三相交流异步电动机(1)的轴相连接，异步双馈发电机(18)定子绕组端子ABC通过第五空气开关(21)与第四三相电源(22)相连接，异步双馈发电机(18)的转子绕组端子UVW与四象限变频器(19)的输出端子UVW相连接，四象限变频器(19)的输入端子L1L2L3通过第四空气开关(20)与第四三相电源(22)相连接。
2.根据权利要求1所述的风力发电实验装置，其特征在于，所述的变频器(2)是具有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制功能之一或这些控制功能组合的变频器。
3.根据权利要求1所述的风力发电实验装置，其特征在于，所述的同步发电机(7)是无刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。
4.根据权利要求1所述的风力发电实验装置，其特征在于，所述的整流单元(10)是二极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。
5.根据权利要求1所述的风力发电实验装置，其特征在于，所述的第一有源逆变单元(12)，第二有源逆变单元(16)是具有回馈功能的变频器或PWM整流电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120104 |