CN102680895A - 一种风力发电模拟平台及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电模拟平台及其模拟方法，包括有风机模拟器、异步电机系统、双馈电机系统、电压跌落装置、联轴器。本发明通过软件模拟风电机组特性，控制电机输出功率，达到模拟实际风电系统的目的。本发明中的电机控制器采用四象限运行的整流-逆变技术，两台电机均可风别运行于发电、电动模式，达到一个实验平台模拟两种不同发电机型的目的，平台具有通用性和扩展性。本发明可对现在风电中的电能质量、系统稳定性、电网适应性等重难点问题提供硬件研究支持。

Description

一种风力发电模拟平台及其模拟方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及风力发电模拟技术领域，具体为一种风力发电模拟平台及其模拟方法。

背景技术

风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注，但是由于条件所限大量的实际风场实验验证是不现实的，为了高效的对系统控制策略及软硬件进行验证，通常需要对风力发电系统进行前期的实验室地面模拟实验研究，因而风力发电实验室模拟系统应用而生。

《风力发电机组风轮功率输出特性模拟实验方法》(CN136351,沈阳工业大学)公开了精确地风速模型，适用于模拟实际风电场的工况；《一种变速恒频风力双馈发电机实验模拟系统》(CN1972115A,中国科学院电工研究所)公开的模拟实验平台可以模拟水力双馈发电机系统；《多功能风力发电模拟实验平台》(申请号201110113933.8，燕山大学)公布了可对兆瓦级风机进行低转速、大转矩模拟的系统。

上述发明提出的风电模拟系统模拟了风机气动特性(跟踪转矩-转速曲线)、MPPT控制、桨距角控制等常规特性。而对影响并网电能质量、系统稳定性、电网适应性等的风电中的重难点问题没有涉及，不能准确地反映实际整个风机系统的特性，满足不了当前风电研究的需要。且现有的风机模拟系统都只对某一固定风力发电机型进行模拟实验，模拟平台不具备通用性。

发明内容

为弥补现有的技术缺陷，本发明提供一种风力发电模拟平台及其模拟方法，在模拟常规的风机气动特性(跟踪转矩-转速曲线)、MPPT控制、桨距角控制的基础上，模拟重现了由于风剪、塔影效应引起的并网功率脉动和柔性传动轴造成的机械振动，实现了电网电压的跌落和骤升。为研究并网电能质量，系统稳定性，低电压穿越(LVRT)等当前风电中的关键问题提供了实验平台。

风力发电模拟平台，其特征在于：包括有风机模拟器、异步电机系统、双馈电机系统、电压跌落装置、联轴器，所述的异步机系统包括四象限整流器、变频器、异步电机，电网与四象限整流器连接，四象限整流器直流侧与变频器直流侧相连，变频器的输出端控制连接异步电机的定子；所述的双馈电机系统包括双馈电机、背靠背变流器、隔离变压器、并网接触器，背靠背变流器包括有网侧变流器和机侧变流器，网侧变流器直流侧与机侧变流器相连，网侧变流器通过隔离变压器接入电压跌落装置，机侧变流器连接双馈电机的转子，双馈电机的定子通过并网接触器接入电压跌落装置，电压跌落装置接入电网；所述的异步电机与双馈电机之间通过联轴器连接，所述的风机模拟器分别与变频器、机侧变流器进行通信连接。

所述的电压跌落装置包括有接触器、隔离变压器、调压器。

所述的异步电机系统还包括有光电编码器，光电编码器与异步电机的转轴相连，光电编码器还与风机模拟器相连。

所述的风机模拟器通过RS485总线与变频器进行通讯，通过CAN总线与机侧变流器进行通讯。

所述的风机模拟器包括有信号检测单元与DSP单元，DSP单元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。

风力发电模拟平台的模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）异步电机模拟风机，双馈电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网，同时变频器切换为转矩控制模式，双馈电机系统的机侧变流器切换为转速控制；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，跟踪风机的转速-转矩/功率特性曲线，通过485总线下发指令给变频器，控制异步电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动双馈电机并网发电；

2）双馈电机模拟风机，异步电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过CAN总线下发指令给双馈电机系统的机侧变流器，控制双馈电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动异步电机并网发电；

3）转矩-转矩对拖运行模式的模拟方法，运行过程如下：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧变流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧控制器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，检测获得转速、机械转矩信息；通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过RS485总线下发指令给变频器，变频器切换为转矩输出方式模拟风机运行；通过CAN总线下发功率曲线指令给双馈电机机侧变流器，控制双馈电机按照功率曲线加载；

（6）转速稳定后,系统按照实际风电场运行状态向电网输送电能。

本发明的模拟平台采用异步机-双馈电机对拖模式，两台电机控制器均采用四象限运行的整流-逆变系统，两台电机均可风别运行于发电、电动模式，达到一个实验平台模拟两种不同发电机型的目的。在双馈电机发电模式，风机模拟器下发指令给变频器，控制异步电机模拟风机；在异步电机发电模式，风机模拟器下发指令给机侧变流器，控制双馈电机模拟风机。

本发明在模拟风机气动特性上，引入引起并网功率脉动的风剪、塔影效应，对风电中存在的并网功率波动进行了模拟。采用转矩动态补偿的模拟方式，对机组的大惯量特性和传动轴系柔性进行了模拟，实现了在小惯性电机上体现了大型风机的大惯量特征；实现了在无齿轮箱的刚性传轴系上反映柔性轴系特点。采用转矩动态补偿的控制方式，动力机模拟风机，发电机跟踪功率曲线，模拟平台可风别运行于转速-转矩、转矩-转速、转矩-转矩三种模式上，模拟平台符合实际风电机组的运行方式。

与现有技术相比，本发明有如下优势和有效益果：

1、本发明可以模拟风剪、塔影效应、湍流效应引起的并网功率波动，为研究风电并网电能质量提供了平台。

2、本发明可模拟大型风机具有的大惯量特性，可模拟风机的传动轴的柔性，省略了齿轮箱，可实现对不同功率等级风机的功率、机械特性双模拟。

3、本发明的电机控制器均采有四象限运行背靠背变流器，可实现双馈电机并网发电或异步电机并网发电，达到了一个模拟平台模拟两种不同并网发电机机型的目的，平台具有通用性、扩展性。

4、本发明的电网处接入了电压跌落装置，可模拟电网的跌落和骤升，为研究风电的低电压穿越(LVRT)和高电压穿越(HVRT)提供了平台。

附图说明：

图1为本发明的系统示意图。

图2 为本发明中双馈电机控制结构图。

图3 为本发明中电压跌落装置结构图。

图4 为本发明传动轴的等效模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

风力发电模拟平台，包括有风机模拟器1、异步电机系统、双馈电机系统、电压跌落装置2、联轴器3，异步机系统包括四象限整流器4、变频器5、异步电机6，电网与四象限整流器4连接，四象限整流器4直流侧与变频器5直流侧相连，变频器5的输出端控制连接异步电机6的定子；双馈电机系统包括双馈电机7、背靠背变流器8、隔离变压器9、并网接触器10，背靠背变流器8包括有网侧变流器8-1和机侧变流器8-2，网侧变流器8-1直流侧与机侧变流器8-2相连，网侧变流器8-1通过隔离变压器9接入电压跌落装置2，机侧变流器8-2连接双馈电机7的转子，双馈电机7的定子通过并网接触器10接入电压跌落装置2，电压跌落装置2接入电网；异步电机6与双馈电机7之间通过联轴器3连接，风机模拟器1分别与变频器5、机侧变流器8-2进行通信连接。

电压跌落装置2包括有接触器、隔离变压器、调压器。

异步电机系统还包括有光电编码器，光电编码器与异步电机的转轴相连，光电编码器还与风机模拟器相连。

风机模拟器1通过RS485总线与变频器5进行通讯，通过CAN总线与机侧变流器8-2进行通讯。

风机模拟器1包括有信号检测单元与DSP单元，DSP单元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。

风力发电模拟平台的模拟方法，具体步骤如下：

1）异步电机模拟风机，双馈电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网，同时变频器切换为转矩控制模式，双馈电机系统的机侧变流器切换为转速控制；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，跟踪风机的转速-转矩/功率特性曲线，通过485总线下发指令给变频器，控制异步电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动双馈电机并网发电；

2）双馈电机模拟风机，异步电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过CAN总线下发指令给双馈电机系统的机侧变流器，控制双馈电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动异步电机并网发电；

1）转矩-转矩对拖运行模式的模拟方法：

上述两种运行模式均为转矩-转速运行方式，对拖电机其一运行于转速控制下，稳定转速，防止飞车。而实际的大功率风电系统中，上位机检测实时转速，按照转速-转矩曲线生成转矩控制指令，控制发电机并网发电，这其实是一种转矩-转矩平衡对拖模式。

现有的风机模拟系统与实际风电系统的运行差异主要原因为实际风电系统的机械惯量很大(包含桨叶、轮毂、传动轴)，而实验室条件下的模拟用电机的转动惯量较小。如直接运行于转矩-转矩对拖模式，转速波动大，极易造成电机飞车事故。故现有的风机模拟器大多运行在转矩-转速控制模式下。

本模拟系统采用惯量补偿的控制方案，使风机模拟系统运行于转矩-转矩平衡对拖模式，使得风机模拟系统更加接近于实际发电系统、更真实反映实际系统的特性。

转矩-转矩对拖模式下风机模拟器输出转矩信号为：

$T^{*}=T_{\mathrm{wt}}+T_{\mathrm{comp}}=T_{\mathrm{wt}}+(\frac{J_{\mathrm{MG}}}{J_{\mathrm{WT}}}-1)(T_{\mathrm{wt}}-T_L)$

其中，T^*为风机模拟器输出的转矩指令，T_wt为风机气动转矩，T_comp为动态补偿转矩，J_MG为模拟平台转动惯量，J_WT为实际风电机组转动惯量，T_L为模拟平台输出的瞬时机械转矩，T_L可由时时通讯获得。

风机模拟器输出信号指令控制原动机，发电机按照功率曲线加载，由于动态补偿转矩的存在，模拟电机具有实际风机的惯性特征，抑制转速波动。

运行过程如下：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧变流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧控制器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，检测获得转速、机械转矩信息；通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过RS485总线下发指令给变频器，变频器切换为转矩输出方式模拟风机运行；通过CAN总线下发功率曲线指令给双馈电机机侧变流器，控制双馈电机按照功率曲线加载；

（6）转速稳定后,系统按照实际风电场运行状态向电网输送电能。

其中，异步电机采用昆明电机厂生产的YTP180M-4型三相绕线式异步电机；双馈电机采用昆明电机厂生产的YVPR180L-4型双馈电机；变频器采用Inovance的MD320系列模块化矢量型变频器；RS485通讯采用和变频器配套的485通讯模块。

风机模拟算法的原理如下：

综合考虑风剪塔影效应的风机气动转矩：

考虑风剪效应时的风速模型为：

$V(r,\mathrm{\θ})==V_H[1+\mathrm{\α}\left(\frac{r}{H}\right)\cos \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\α}(\mathrm{\α}-1)}{2}{\left(\frac{r}{H}\right)}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\α}(\mathrm{\α}-1)(\mathrm{\α}-2)}{6}{\left(\frac{r}{H}\right)}^3{\cos }^3\mathrm{\θ}]$

考虑塔影效应时的风速模型为：

$V(y,x)=V_H+V_{\mathrm{tower}}(y,x)=V_H+[1+\frac{\mathrm{\α}{(\mathrm{\α}-1)R}^2}{{8H}^2}]a^2\frac{r^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)-x^2}{{(r^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+x^2)}^2}$

利用等效风速概念，风剪、塔影现象形成的等效风速为：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{eq}}(t,\mathrm{\θ})=\frac{2V_H}{3(1-{(r_0/R)}^2)R^2}\underset{b=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{r_0}^R[r+\frac{r^2\mathrm{\α}}{H}\cos {\mathrm{\θ}}_b+\frac{r^3\mathrm{\α}(\mathrm{\α}-1)}{2H^2}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_b\\ +\frac{r^4\mathrm{\α}(\mathrm{\α}-1)(\mathrm{\α}-2)}{6H^3}{\cos }^3{\mathrm{\θ}}_b+\frac{{\mathrm{ma}}^2(r^3{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_b-{\mathrm{rx}}^2)}{{(r^2\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\θ}}_b+x^2)}^2}\mathrm{dr}]\end{array}$

三桨叶风机在风场中的气动转矩为：

$T_{\mathrm{wt}}=\frac{1}{2}\mathrm{A\ρ}{V}_0^2\frac{C_p\left({\mathrm{\λ}}_H\right)}{{\mathrm{\λ}}_H}+\underset{b=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{r_0}^R\frac{2\mathrm{\ρ}{\mathrm{AV}}_H}{2\mathrm{sR}}\frac{C_p\left({\mathrm{\λ}}_H\right)}{{\mathrm{\λ}}_H}r[V_{\mathrm{eq}}(t,\mathrm{\θ})-V_H]\mathrm{dr}$

其中，R为风机的桨叶半径、H为转毂高度、α为风剪经验指数，r为桨叶叶素点到转轴中点的径向距离，θ为方位角，V_H为转毂处的风速，x为风机旋转平面到塔架中心线的距离，r₀为风机转毂半径，ω为风机角速度，R为桨叶半径，ρ为空气密度，λ₀为叶尖速比，V_H为轮毂处风速，A为桨叶扫面面积。

传动轴柔性模拟的原理如下：

参见图4， $T_{\mathrm{wt}}-T_{\mathrm{ls}}=J_t\frac{d{\mathrm{\ω}}_t}{\mathrm{dt}}+B_t{\mathrm{\ω}}_t$

$T_{\mathrm{ls}}=\frac{K_t}{s}({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_1)$

${T_m}^{*}=T_{\mathrm{hs}}=\frac{K_g}{s}({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_g)$

$[T_{\mathrm{ls}}-(T_{\mathrm{hs}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{J_{2}s+B_g})n]=J_1\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}+B_t$

ω₂=nω₁

其中：n为齿轮箱传输比；T_wt为在风机气动转矩；ω_t为风力机风轮的转速；T_ls为低速轴的弹性力矩；ω₁为低速侧齿轮箱的转速；ω₂为高速侧齿轮箱的转速；T₁为低速侧齿轮箱的输入力矩；T₂为高速侧齿轮箱的输出力矩；T_hs为高速轴的弹性力；K_t、B_t分别为低速轴的刚度系数和阻尼系数；K_g、B_g分别为高速轴的刚度系数和阻尼系数。T_M ^*为风机模拟发生器输出给定，控制电机模拟出传动轴柔性。

根据风机的空气动力学特性生成气动转矩后，按照图4给出的传动轴等效模型，生成输出给定T_m ^*，控制原动机输出，达到模拟风机传动轴的目的。

Claims (6)

1.一种风力发电模拟平台，其特征在于：包括有风机模拟器、异步电机系统、双馈电机系统、电压跌落装置、联轴器，所述的异步机系统包括四象限整流器、变频器、异步电机，电网与四象限整流器连接，四象限整流器直流侧与变频器直流侧相连，变频器的输出端控制连接异步电机的定子；所述的双馈电机系统包括双馈电机、背靠背变流器、隔离变压器、并网接触器，背靠背变流器包括有网侧变流器和机侧变流器，网侧变流器直流侧与机侧变流器相连，网侧变流器通过隔离变压器接入电压跌落装置，机侧变流器连接双馈电机的转子，双馈电机的定子通过并网接触器接入电压跌落装置，电压跌落装置接入电网；所述的异步电机与双馈电机之间通过联轴器连接，所述的风机模拟器分别与变频器、机侧变流器进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电模拟平台，其特征在于：所述的电压跌落装置包括有接触器、隔离变压器、调压器。

3.根据权利要求1所述的风力发电模拟平台，其特征在于：所述的异步电机系统还包括有光电编码器，光电编码器与异步电机的转轴相连，光电编码器还与风机模拟器相连。

4.根据权利要求1所述的风力发电模拟平台，其特征在于：所述的风机模拟器通过RS485总线与变频器进行通讯，通过CAN总线与机侧变流器进行通讯。

5.根据权利要求1所述的风力发电模拟平台，其特征在于：所述的风机模拟器包括有信号检测单元与DSP单元，DSP单元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。

6.一种风力发电模拟平台的模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）异步电机模拟风机，双馈电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网，同时变频器切换为转矩控制模式，双馈电机系统的机侧变流器切换为转速控制；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，跟踪风机的转速-转矩/功率特性曲线，通过485总线下发指令给变频器，控制异步电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动双馈电机并网发电；

2）双馈电机模拟风机，异步电机并网发电模式的模拟方法：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧整流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧变流器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过CAN总线下发指令给双馈电机系统的机侧变流器，控制双馈电机运行于转矩控制方式模拟风机，拖动异步电机并网发电；

3）转矩-转矩对拖运行模式的模拟方法，运行过程如下：

（1）启动异步电机系统的四象限整流器及双馈电机系统的网侧变流器；

（2）在四象限整流器稳定运行后，启动变频器运行于转速控制模式(VF模式)，拖动双馈电机转动；

（3）转速稳定到达1450转/分左右时，启动双馈电机系统的机侧控制器，使双馈电机运行于转矩控制下；

（4）待双馈电机的定子电压达到并网条件时，控制并网接触器并网；

（5）启动风机模拟器，检测获得转速、机械转矩信息；通过风机模拟算法，计算模拟转矩，通过RS485总线下发指令给变频器，变频器切换为转矩输出方式模拟风机运行；通过CAN总线下发功率曲线指令给双馈电机机侧变流器，控制双馈电机按照功率曲线加载；

（6）转速稳定后,系统按照实际风电场运行状态向电网输送电能。

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