CN103309243A - 海上漂浮式风力发电模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上漂浮式风力发电模拟系统，包括海上漂浮式平台，下位机控制柜和上位机；海上漂浮式平台包括鼓风机、整流栅、直驱式风力发电机、风机塔架、浮板、缆绳、轴流桨叶、箱体、轴流桨叶驱动电机、风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器；上位机与下位机控制柜的DSP主控制芯片连接。本发明通过无极调速模块控制鼓风机以模拟各类风况，通过调节轴流桨叶转速用以模拟各类波浪，采用最大功率跟踪算法确保风能的最优利用，通过下位机控制柜实时监测、控制系统运行，采用上位机可视化界面提供良好的交互平台；本发明可为海上风力发电系统的难点问题提供硬软件研究支持。

Description

海上漂浮式风力发电模拟系统
技术领域
本发明涉及一种海上风力发电技术领域，尤其涉及一种海上漂浮式风力发电模拟系统。
背景技术
近年来，海上风力发电越来越受到关注，但是由于条件所限，大规模的实际海上风力发电验证是不现实的，为了安全、高效的对海上风力发电系统控制策略及软硬件进行验证，通常需要采用可代替实际的海上风力发电模拟系统进行试验。 
现有的风力发电模拟并未涉及到海上风力发电模拟范畴，因此，需要一种海上风力发电模拟系统，从空气动力学、波浪理论、最大功率跟踪理论角度，从硬软件的多方面验证海上风力发电系统的运行控制策略，是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种从空气动力学、波浪理论、最大功率跟踪理论角度，从硬软件多方面验证海上风力发电系统运行控制的海上漂浮式风力发电模拟系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
海上漂浮式风力发电模拟系统，包括海上漂浮式平台、下位机控制柜和上位机；
所述海上漂浮式平台包括鼓风机、整流栅、直驱式风力发电机、风机塔架、浮板、缆绳、轴流桨叶、箱体、轴流桨叶驱动电机、风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器；所述箱体内设置水槽，所述浮板通过缆绳牵引漂浮在水槽内的水面上；所述鼓风机和整流栅设置在箱体上，所述直驱式风力发电机通过风机塔架设置在浮板的上方，所述轴流桨叶设置在水槽内并与水槽内的水面接触，轴流桨叶由轴流桨叶驱动电机驱动，所述鼓风机的出风口与整流栅的一端口对应，整流栅的另一端口与直驱式风力发电机的风机桨叶对应；所述风速传感器安装于直驱式风力发电机上的风机桨叶前部，所述倾角传感器安装于浮板上，所述液体流量传感器安装于水槽内，所述转速传感器用于检测直驱式风力发电机的转速；
所述下位机控制柜包括DSP主控制芯片、鼓风机无极调速模块、轴流桨叶直流电机的驱动模块、传感器硬件调理模块、三相可控整流器和负载器；所述风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器所采集的信号通过传感器硬件调理模块输入DSP主控制芯片，所述DSP主控制芯片通过鼓风机无极调速模块控制鼓风机，所述DSP主控制芯片通过轴流桨叶直流电机的驱动模块控制轴流桨叶直流电机；所述直驱式风力发电机产生的三相交流电经三相可控整流器后输入负载器； 
所述上位机与下位机控制柜的DSP主控制芯片连接。
作为本发明的一种优选方案，所述鼓风机的出风口、整流栅和直驱式风力发电机上的风机桨叶三者中心位于同一直线上。
作为本发明的另一种优选方案，所述鼓风机采用多级离心鼓风机。
本发明的有益效果是：本发明通过无极调速模块控制鼓风机以模拟各类风况，通过调节轴流桨叶转速用以模拟各类波浪，采用最大功率跟踪算法确保风能的最优利用，通过下位机控制柜实时监测、控制系统运行，采用上位机可视化界面提供良好的交互平台；本发明可为海上风力发电系统的难点问题提供硬软件研究支持。
附图说明
图1为海上漂浮式风力发电模拟系统的结构示意图。
附图中: 1—海上漂浮式平台； 2—下位机控制柜； 3—上位机； 4—鼓风机； 5—整流栅； 6—直驱式风力发电机； 7—风机塔架； 8—浮板； 9—缆绳； 10—轴流桨叶； 11—箱体； 12—水槽； 13—台座； 14—支架； 15—轴流桨叶驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，海上漂浮式风力发电模拟系统，包括海上漂浮式平台1、下位机控制柜2和上位机3。
其中，海上漂浮式平台包括鼓风机4（鼓风机4采用多级离心鼓风机）、整流栅5（由通风筒和设置在通风筒横截面上的滤网组成）、直驱式风力发电机6、风机塔架7、浮板8、缆绳9、轴流桨叶10、箱体11、轴流桨叶驱动电机15、风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器。箱体11内、且靠右侧设置水槽12，在浮板8的四个角部分别设置缆绳9，浮板8通过缆绳9牵引漂浮在水槽12内的水面上。在箱体11上并靠左侧设置台座13和支架14，鼓风机4安装在台座13上，整流栅5安装在支架14上，风机塔架7设置在浮板8上，直驱式风力发电机6安装在风机塔架7上，直驱式风力发电机6通过风机塔架7设置在浮板8的上方。轴流桨叶10设置在水槽12内并与水槽12内的水面接触，轴流桨叶10由轴流桨叶驱动电机15驱动，鼓风机4的出风口与整流栅5的一端口对应，整流栅5的另一端口与直驱式风力发电机6的风机桨叶对应，鼓风机4的出风口、整流栅5和直驱式风力发电机6上的风机桨叶三者中心位于同一直线上。风速传感器安装于直驱式风力发电机6上的风机桨叶前部，倾角传感器安装于浮板8上，液体流量传感器安装于水槽12内，转速传感器用于检测直驱式风力发电机6的转速。
下位机控制柜2包括DSP主控制芯片、硬件驱动电路（包括鼓风机无极调速模块和轴流桨叶直流电机的驱动模块）、传感器硬件调理模块、三相可控整流器和负载器。风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器所采集的信号通过传感器硬件调理模块输入DSP主控制芯片，DSP主控制芯片通过鼓风机无极调速模块控制鼓风机4，DSP主控制芯片通过轴流桨叶直流电机的驱动模块控制轴流桨叶直流电机15。其中，硬件驱动模块作用：将DSP主控制芯片中数字信号经数/模转换成模拟类电压信号，再经滤波、放大后提供可直接驱动直流电动机电枢的电压信号。传感器硬件调理模块作用：将系统中所采用的数字传感器经光电隔离变换后，形成可供DSP主控制芯片引脚直接采集的安全、有效数字信号，用以读取传感器数据；将系统中所采用的模拟传感器经隔离、滤波后，形成可供DSP主控制芯片引脚直接采集的安全、有效模拟信号。直驱式风力发电机6所发出的为三相交流电，直驱式风力发电机6产生的三相交流电经三相可控整流器后输入负载器。三相可控整流器与负载器连接共同构成风力发电机无极调速模块（可用于平滑调节风力发电机转速，从而实现最大功率跟踪）。下位机控制柜2的DSP主控制芯片为TMS320F2812，各类别的风况数据存储于下位机控制柜flash中，各类别的波浪数据存储于下位机控制柜flash中。
上位机由PC机构成，上位机由labview软件和SQL数据库组成，通过labview构建可视化操作界面，数据存储功能由SQL数据库实现。上位机3与下位机控制柜2的DSP主控制芯片通过RS232数据线连接。
该海上漂浮式风力发电模拟系统通过浮板8、缆绳9及适当水位确保直驱式风力发电机6平衡，通过轴流桨叶驱动电机15驱动轴流桨叶模拟海面波浪，通过鼓风机无极调速模块模拟不同风况。数据采集包括了上风口风速传感器、下风口风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器、测轴流风叶的转速传感器、测风力机的转速传感器获取的信号采集；执行机构的驱动包括了驱动鼓风机的调速器模拟各类风况，驱动轴流桨叶模拟波浪，驱动可控整流进行MPPT。
操作该模拟系统的具体步骤如下：
（1）上位机发送启动命令，下位机控制柜开机自检，确定各模块初始化电气性能正常后启动系统，否则向上位机反馈错误信息；
（2）从上位机labview可视化控制界面中选择需要模拟的风况及波浪模型，相应的命令通过RS232数据线传送至下位机控制柜；
（3）下位机控制柜根据上位机风况及波浪种类命令，从下位机控制柜flash中根据查表法确定对应的风况数据及波浪数据；
（4）DSP主控制芯片采用数字离散化PI控制算法实现风能模拟，PI控制器的输入为参考风速与实际风速之差，其输出为鼓风机无极调速模块驱动电压值，DSP主控制芯片依据此电压值，经过数/模转换、放大后送入离心式鼓风机；
（5）DSP主控制芯片采用数字离散化PI控制算法实现海浪模拟，PI控制器的输入为参考流速与实际流速之差，其输出为直流电动机电枢电压值，DSP主控制芯片依据此电压值，经过数/模转换、放大后送入直流电动机；
（6）下位机控制柜实时检测负载器的电压、电流值，并实时计算发电功率，采用MPPT算法实现海上风力发电机组的最大功率跟踪，DSP主控制芯片输出PWM信号，经隔离、驱动后送入三相可控整流器；
（7）海上漂浮式风力发电模拟系统中各类传感器数据经DSP主控制芯片，通过RS232串口实时上传至上位机，上位机labview可视化软件实时显示各类传感器数据，将各类数据分类存储于SQL数据库中，可在上位机中回溯查看历史数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.海上漂浮式风力发电模拟系统，其特征在于:包括海上漂浮式平台（1）、下位机控制柜（2）和上位机（3）；
所述海上漂浮式平台包括鼓风机（4）、整流栅（5）、直驱式风力发电机（6）、风机塔架（7）、浮板（8）、缆绳（9）、轴流桨叶（10）、箱体（11）、轴流桨叶驱动电机（15）、风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器；所述箱体（11）内设置水槽（12），所述浮板（8）通过缆绳（9）牵引漂浮在水槽（12）内的水面上；所述鼓风机（4）和整流栅（5）设置在箱体（11）上，所述直驱式风力发电机（6）通过风机塔架（7）设置在浮板（8）的上方，所述轴流桨叶（10）设置在水槽（12）内并与水槽（12）内的水面接触，轴流桨叶（10）由轴流桨叶驱动电机（15）驱动，所述鼓风机（4）的出风口与整流栅（5）的一端口对应，整流栅（5）的另一端口与直驱式风力发电机（6）的风机桨叶对应；所述风速传感器安装于直驱式风力发电机（6）上的风机桨叶前部，所述倾角传感器安装于浮板（8）上，所述液体流量传感器安装于水槽（12）内，所述转速传感器用于检测直驱式风力发电机（6）的转速；
所述下位机控制柜（2）包括DSP主控制芯片、鼓风机无极调速模块、轴流桨叶直流电机的驱动模块、传感器硬件调理模块、三相可控整流器和负载器；所述风速传感器、倾角传感器、液体流量传感器和转速传感器所采集的信号通过传感器硬件调理模块输入DSP主控制芯片，所述DSP主控制芯片通过鼓风机无极调速模块控制鼓风机（4），所述DSP主控制芯片通过轴流桨叶直流电机的驱动模块控制轴流桨叶直流电机（15）；所述直驱式风力发电机（6）产生的三相交流电经三相可控整流器后输入负载器；
所述上位机（3）与下位机控制柜（2）的DSP主控制芯片连接。
2.根据权利要求1所述的海上漂浮式风力发电模拟系统，其特征在于:所述鼓风机（4）的出风口、整流栅（5）和直驱式风力发电机（6）上的风机桨叶三者中心位于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的海上漂浮式风力发电模拟系统，其特征在于：所述鼓风机（4）采用多级离心鼓风机。
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