CN102982713A

CN102982713A - 低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统

Info

Publication number: CN102982713A
Application number: CN2012105341018A
Authority: CN
Inventors: 于大洋; 刘英男
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开了一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，包括风力发电机组、输配电变压器和线路的物理模型，所述风力发电机组包括微控制器、低压电机调速装置、低压电动机、低压永磁直驱风力发电机、低压整流控制器、低压逆变器。本发明完成了低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，搭建了发电主电路、输配电电路这样一个完整的风力发电系统，设计了基于低电压永磁直驱风力发电机组的实验模拟平台。通过微控制器的输出脉冲，该装置可以模拟多种风力发电方式。本发明为风力发电系统控制保护策略和控制系统的设计研究提供了一个更可靠、安全的研究平台和测试环境。

Description

低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统

技术领域

本发明涉及电气行业，尤其涉及一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统。

背景技术

随着环境的恶化以及能源的日益匮乏，可再生能源的开发利用逐渐提上日程。风能作为一种绿色环保的可再生能源受到了世界各国的高度重视，风力发电机以年总装机容量以超过20%的速度递增，必将成为21世纪最具开发前景的新能源之一。

由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣、空气动力学的不确定性和电力电子功率变换装置模型的复杂性，系统模型不易确定，风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统，因此系统建模分析是风力发电机系统设计的关键，为攻克这些难点，国内外的研究热点是系统设计优化和先进控制策略。在实验室环境下研究风力发电系统，无法得到现场的风能输入，也无法安装巨大的浆叶，因资金、场地等条件的限制，以及自然风具有随机性和爆发性，直接在风力机上实验无法实现对控制算法的有效验证。

而现有的电力系统动态模拟系统用物理元件模拟，其缺点是设备昂贵、占地面积大、电压等级高，不利于实验室教学研究。为了便于实验室研究，急切的需要建立一套适用于实验室研究、教学的风力发电系统动态模拟系统。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种实验室使用的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，为风力发电系统控制策略的研究提供了一个安全、可靠、占地面积小、经济实用、易于控制的实验平台，保障了实验人员、学生在实验过程中的人身安全。所采用的低电压永磁直驱风力发电机组虽然电压等级与实际中的不同，但是其电磁特性都是相同的，能够达到模拟实际永磁直驱风力发电机组发电系统的水平。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，包括风力发电机组、输配电变压器和线路的物理模型；所述风力发电机组包括微控制器、低压电机调速装置、低压电动机、低压永磁直驱风力发电机、低压整流控制器、低压逆变器、储能装置；所述微控制器为低压电机调速装置提供转速信号，模拟实际风力转动曲线；所述低压电机调速装置接收来自控制器的脉冲信号，输出不同的频率给低压电动机，调节低压电动机的转速；所述低压整流控制器是对低压发电机所发出的不稳定的低压交流电能转换为稳定的工频低压直流电能，同时具有短路、过载和蓄电池组的过放、过充自动保护功能，能有效地延长蓄电池组的使用寿命；所述低压逆变器是对低压整流控制器输出的工频低压直流电能转换为工频低压交流电能，供低压负载使用；所述储能装置可供风力发电系统使用。

所述低压永磁直驱风力发电机采用三相低压永磁转子交流发电机。

所述低压电动机采用一台或几台电动机，所述电动机采用直流调速电动机。

所述储能装置可采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种。

所述输配电变压器为升压变压器，通过升高电压，减小电能在线路上的损耗；所述线路的物理模型，根据等值电路公式计算出电阻、电感、电容的数值，用电阻、电感、电容搭出电力线路的等值电路。

下面结合本发明的结构组成详细说明本发明工作原理：

在目前的变速恒频风电系统中，使用永磁同步发电机的直驱式系统得到越来越多的应用，直驱式系统需要全功率变流器，变流器容量即为系统额定功率，所需的低速永磁同步发电机体积和重量较大，因而具有较高的成本。但永磁直驱式风电系统采用低速永磁同步发电机，结构简单，不需要齿轮箱，机械损耗小，效率高，便于维护，不需要外部励磁，在低风速下也可以高效率发电，并且易于实现电网电压故障条件下风电系统的不间断并网运行，因而永磁直驱风电系统的发展非常快。本发明采用低电压定子永磁发电机，模拟实际中的永磁直驱风力发电机组及其并网系统，使得永磁直驱风力发电机组能够更好应用于风力发电系统中。

本发明的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统结构，如图1所示，整个系统中输配电变压器、低压永磁直驱风力发电机、低压电动机、电阻、电感、电容、低压逆变器、低压整流控制器均采用380V及380V以下的电压等级，其中低压电动机、低压永磁直驱风力发电机采用110V以下电压等级。电压等级的降低，更容易使用低压元件进行相关器件的控制，同时不影响风力发电系统动态模拟系统的实际效果。

由于风能的时刻变化，低压永磁直驱风力发电机组所发出的电能是不稳定的交流电能，需要通过低压整流控制器对低压永磁直驱发电机所发出的不稳定交流电能进行整流，并控制电能达到稳定直流输出，进一步使所发出的电能流入储能装置或低压逆变器。可以使用低压负荷可以检测发电电能质量，低压负荷可以是节能灯或者电池等。

一些低压物理元器件在市场中很难找到，比如低压逆变器很多都是将其他电压等级逆变为交流220V的生活用电，市场上很难找到低压逆变器将电压逆变为更低电压等级交流电的逆变器，比如24V、12V的逆变器。单一低压整流控制器、低压发电机，市场需求很少，很少有厂家生产。这对本系统的开发是一个关键点，对低压器件成功开发研究，并应用到本系统中是一个创新点。

本发明完成了低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，搭建了发电主电路和输配电电路这样一个完整的风力发电系统，设计了基于低电压永磁直驱风力发电机组的实验模拟平台。通过微控制器的输出脉冲，该装置可以模拟多种风力发电方式，适合实验室对风力发电的进一步研究。

本发明的有益效果：

1. 降低了风力发电系统动态模拟系统的电压等级，更适合于实验室对于风力发电的教学科研。

2. 用于电力系统控制保护策略和控制系统的设计研究。

3. 用于研究风电与储能装置的联合运行以及相应的协同控制策略设计等。

附图说明

图1为本发明的总体结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本实施例的一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，包括风力发电机组、输配电变压器和线路的物理模型；所述风力发电机组包括微控制器、低压电机调速装置、低压电动机、低压永磁直驱风力发电机、低压整流控制器、低压逆变器、储能装置；所述微控制器为低压电机调速装置提供转速信号，模拟实际风力转动曲线，本实施例采用意法半导体公司生产的STM32F103VET6芯片进行脉冲输出控制；所述低压电机调速装置接收来自控制器的脉冲信号，输出不同的频率给低压电动机，调节低压电动机的转速，本实施例采用能够接收微控制器脉冲信号输出的变频器；所述低压电动机采用一台或几台电动机，所述电动机采用直流调速电动机，本实施例采用12V直流电动机；所述低压永磁直驱风力发电机，发电机采用永磁转子交流发电机，有效地降低发电机的阻转矩，提高机组运行的可靠性；所述低压整流控制器是对低压发电机所发出的不稳定的低压交流电能转换为稳定的工频低压直流电能，本实施例采用50HZ三相交流12V输入，直流12V输出的低压整流控制器；所述低压逆变器是对低压整流控制器输出的工频低压直流电能转换为工频低压交流电能，供低压负载使用，本实施例采用50HZ直流12V输入，三相交流12V输出的低压逆变器；所述储能装置可供风力发电、光伏发电等可再生能源发电系统使用，储能装置可采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种，本实施例采用蓄电池。

所述输配电变压器为升压变压器，通过升高电压，减小电能在线路上的损耗，本实施例采用2个升压变压器如图1所示,变压器的变比分别为12V/24V和24V/380V；所述线路的物理模型，根据等值电路计算出电阻、电感、电容的数值，用电阻、电感、电容搭出电力线路的等值电路。

本实施例对风力发电进行模拟，微控制器发出模拟秋季风速的脉冲波形，对电机调速装置进行控制，直流电动机拖动三相永磁直驱风力发电机进行发电，通过整流控制器及逆变器得到工频50HZ电压12V的交流电，发电过程与实际发电过程一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，包括风力发电机组、输配电变压器和线路的物理模型；所述风力发电机组包括微控制器、低压电机调速装置、低压电动机、低压永磁直驱风力发电机、低压整流控制器、低压逆变器、储能装置；所述微控制器为低压电机调速装置提供转速信号，模拟实际风力转动曲线；所述低压电机调速装置接收来自为控制器的脉冲信号，输出不同的频率给低压电动机，调节低压电动机的转速；所述低压整流控制器将低压发电机所发出的不稳定的低压交流电能转换为稳定的工频低压直流电能，同时具有短路、过载和蓄电池组的过放、过充自动保护功能；所述低压逆变器将低压整流控制器输出的工频低压直流电能转换为工频低压交流电能，供低压负载使用；所述储能装置供风力发电系统使用；所述输配电变压器和线路的物理模型；所述输配电变压器为将高电压变为低电压；所述线路的物理模型，根据等值电路公式计算出各个电阻、电感、电容的数值，用电阻、电感、电容搭出电力线路的等值电路。

2.如权利要求1所述的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，所述低压电动机采用一台或几台直流调速电动机。

3.如权利要求1所述的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，所述低压永磁直驱风力发电机采用三相低压永磁转子交流发电机。

4.如权利要求1所述的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，所述储能装置采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气的一种或几种。

5.如权利要求1所述的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，所述输配电变压器、低压永磁直驱风力发电机、低压电动机、电阻、电感、电容、低压逆变器、低压整流控制器均采用380V及380V以下的电压等级。

6.如权利要求1或5所述的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，其特征是，所述低压电动机、低压永磁直驱风力发电机采用低于110V的电压等级。