CN103337208A - 基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统及模拟方法，涉及一种风力发电机组物理模拟装置，属于风力发电应用领域，包括风力发电机组物理模拟系统和其模拟方法。系统包括：风力发电机组仿真模拟模块、组态监控模块、数据库模块、风速信号发生模块，单相全控整流桥模块。模拟方法包括：将风速数据传输给风力发电机组仿真模块，风电机组仿真模块根据当前所带负载以及气象数据，计算得出目标电压发送给整流桥控制器。单相全控整流桥系统根据风电机组仿真模块计算出的电压给定值，控制输出，输出的数据传递给数据库模块和风电机组仿真模块作为下一次输出的计算参量。

Description

基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种实时风力发电机组物理模拟装置，特别涉及基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统及模拟方法领域

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，在开发研究的新能源中，已经成为世界上发展最迅速的能源之一，被称为“未来的能源”。随着人民生活水平的不断提高，对电力的不同需求日益明显，风力发电可以满足不同地区的要求，特别是边远地区，由于大电网输出困难，且运营成本高，对此，风电具有更高的经济价值和社会效益。但是，风力发电机的发展受电压和频率的影响，并网困难，且容易对大电网的稳定性产生冲击，不易储存。因此对风电技术的研究尤为重要，但是将发电机与风力机直接相连现场做实验的方法成本较大，不易实现，同时实验费时效率低。于是研究人员针对风电技术的研究提出各种模拟的方法，主要分有静态模拟和动态模拟。

现在普遍采用的方法是使用电动机作为原动机来带动发电机转动，如图1所示，模拟风力驱动部分使用电动机，且设备成本也较大，发电机、电动机模块不易移动，不方便教学等实验使用。传统的模拟几乎都集中在风轮机上，需要进行不同风力发电机模拟就需要更换不同的发电机重新搭建模型，这种方法笨重不易实验，可扩展性不强，人机界面不够丰富也不友好，另外，常规的模拟装置也不能够灵活地变化模拟风力发电机的规格变化带来的输出特征变化，但是这对于风电的实际研究却很重要。搭建一种可以根据当地的实际情况配备相应规格的风力发电机并针对不同规格风电机组的配网进行研究十分必要。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于解决进行不同风力发电机模拟就需要更换不同的发电机重新搭建模型，更换设备耗时并且笨重、方法不易实验、可扩展性不强的问题。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统，包括：

风速信号发生模块，用于产生风速信号；

风力发电机组仿真模拟模块，用于根据风速信号模拟出发电机组输出的电压和电流特性关系；

单相全控整流桥模块，用于根据风力发电机组仿真模拟模块输出的电压模拟出风力发电机经不可控整流后的直流输出电压。

优选的，风力发电机组仿真模拟模块包括风轮机模型、传动系统模型和发电机模型。

优选的，单相全控整流桥模块包括整流桥控制器模块和单相整流桥模块。

优选的，基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统还包含组态监控模块，用于显示全系统数据，并输出控制信号到风力发电机组仿真模拟模块。

优选的，组态监控模块包括实时显示模块和参数配置模块。

优选的，参数配置模块选择风力发电机组仿真模拟模块，需要对模拟的风力发电机规格参数进行选择。

优选的，基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统还包括数据库模块，用于记录各个模块的输入和输出数据。

优选的，基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统各个模块调用数据库模块记录的数据。

一种基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

风速信号发生模块，产生风速信号；

风力发电机组仿真模拟模块，根据风速信号模拟出发电机组输出电压和电流特性关系，结合当前负载特性曲线，确定当前工作点的电压信号给单相全控整流桥模块；

单相全控整流桥模块，根据风力发电机组仿真模拟模块输出的电压模拟出风力发电机经不可控整流后的直流输出电压。

优选的，风力发电机组仿真模拟模块根据风速信号模拟出发电机组输出的电压和电流，该电压和电流由轮机模型、传动系统模型和发电机模型运算后确定。

优选的，单相全控整流桥模块产生的直流输出电压和电流，由整流桥控制器发生正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse WidthModulation，以下简称SPWM）信号，单相整流桥模块根据该信号产生直流输出电压。

优选的，基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统的模拟方法还包含使用组态监控模块选择风力发电机组仿真模拟模块中的风轮机模型、传动系统模型和发电机模型的种类的方法，对风力发电机组仿真模拟输出电压的控制。

优选的，基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统的模拟方法还包括使用数据库模块对各个模块的输出输入信号进行记录，各个模块调用数据库模块所记录的数据进行控制的方法。

（三）有益效果

本发明采用电力电子装置来进行风力发电机组的模拟，能够根据模型的不同模拟不同类型的发电机。可扩展性强，人机界面丰富友好。可在实验室的条件下，模拟各种风力发电机的输出特性，方便研究风力发电单元对微电网的影响，为开发各种风力发电变流器设备，提供前端电源，提供测试手段。

附图说明

图1是本发明的一种传统风力发电机模拟装置图；

图2是本发明的一种典型风力发电系统图；

图3是本发明的一种风力发电机组模拟系统结构框图；

图4是本发明的一种风力发电机组模拟系统模拟流程图；

图5是本发明的一种单相全控整流桥模块图；

图6是本发明的一种整流桥控制器图；

图7是本发明的一种单相整流桥模块图

图8是本发明的基于电力电子技术的风力发电机组模拟试验平台的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和控制例，对本发明的具体控制方式做进一步描述。以下控制例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示的一种典型风力发电系统，风能经风轮机转化为机械能驱动永磁同步发电机发电，经整流逆变装置后馈入电网。当一个风力发电系统的风速确定，负载确定，整个系统的稳态过程也确定不变。基于此，我们把稳态系统的整流后的部分都看成是整流负载，系统的框内部分为本发明模拟部分。如图3所示的风力发电机组模拟系统结构的框图。如图4所示的风力发电机组模拟系统模拟的流程图。

该系统由风速信号发生模块、风电机组仿真模块、数据库模块、组态监控模块和单相全控整流桥模块组成。

风速信号发生模块，该模块通过气象站实时测量的风速数据或风速模拟系统产生风速信号。将风速信号存储在数据库模块中并提供给风力发电机组仿真模拟模块。

风电机组仿真模块，该模块中包含风电机单元、传动系统单元和发电机单元。在实际运行中，要先选择风电机组中风轮机的种类、传动系统的种类和发电机的种类以确定风电机组仿真模拟模块的种类。风电机组仿真模拟模块根据数据库模块中记录的数据，按照风轮机的种类、传动系统的种类和发电机的种类计算出发送给单相全控整流桥的电压值，并将该电压值存储在数据库模块中。

单相全控整流桥模块，该模块采用直流电压外环+交流电流内环的双闭环控制，整体控制框图组成如图5所示。当单相整流桥模块中的整流桥控制器，如图6所示，接收到发电机组仿真模拟模块发出的电流电压信号时，发出SPWM信号到单相整流桥模块中，如图7所示，经不可控的整流后，发出根据风力发电机组仿真模拟模块信号产生的直流输出电压，并将当前的电流和电压值上传到数据库模块。

风电机组仿真模块调用数据库模块中记录的单相全控整流桥模块的上传数据作为负载参量，计算下一次的输出电压值。

组态监控模块，该模块可显示数据库模块中所有数据，并可手动输入数据对风电机组仿真模块种类和其输出进行更改，并将更改数据存储在数据库模块中。

数据库模块，该模块用以记录各个模块所产生的数据，然后将所记录的数据反馈到各个模块中。

图8是建立电子技术的风力发电机组模拟试验平台的示意图。

实施例

该实施例为建立电子技术的风力发电机组模拟试验平台。

一种风力发电机组模拟试验平台，包括上位机仿真监控系统和单相全控整流桥系统。

上位机仿真监控系统包含平板电脑，组态监控模块，数据库模块、风力发电机组仿真模拟模块。单相全控整流桥系统包含DSP嵌入控制系统，绝缘栅双极型晶体管整流桥和电压电流测量系统，DSP嵌入控制系统根据上位机下发的实时功率指令，控制整流桥，产生与指令对应的实际的交流电压和电流，并上传到上位机监控系统。

进一步地，风力发电机组仿真模拟软件在WINCE平台下，采用嵌入式的eVC环境下进行程序编写，包含风轮机模拟单元，传动系统模拟单元，发电机模拟单元。

首先通过气象站实时测量的风速数据或风速模拟系统产生风速信号。将风速信号存储在数据库模块中并提供给风力发电机组仿真模拟模块。

将风信号数据传输给风电机组仿真模块，该模块中包含风电机单元、传动系统单元和发电机单元。在实际运行中，要先选择风电机组中风轮机的种类、传动系统的种类和发电机的种类以确定风电机组仿真模拟模块的种类。风电机组仿真模拟模块根据数据库模块中记录的数据，按照风轮机的种类、传动系统的种类和发电机的种类计算出发送给单相全控整流桥的电压值，并将该电流和电压值存储在数据库模块中。

根据上位机下发的实时电压指令，单相全控控制整流桥模块。该模块采用直流电压外环+交流电流内环的双闭环控制，整体控制框图组成如图5所示。当单相整流桥模块中的整流桥控制器，如图6所示，接收到发电机组仿真模拟模块发出的电流电压信号时，发出SPWM信号到单相整流桥模块中，如图7所示，经不可控的整流后，发出根据风力发电机组仿真模拟模块信号产生的直流输出电压，并将当前负载下的电流和电压值上传到数据库模块。

风电机组仿真模块调用数据库模块中记录的单相全控整流桥模块的上传数据作为负载参量，计算下一次的输出电压值。

使用组态监控软件实时显示当前风速，实时仿真计算功率，实时模拟功率，设置模型参数等，并可手动输入数据对风电机组仿真模块种类和其输出进行更改，并将更改数据存储在数据库模块中。

使用数据库模块记录各个模块所产生的数据，然后将所记录的数据反馈到各个模块中

以上控制方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (13)

1.一种基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统，其特征在于，所述系统包括：

风速信号发生模块，用于产生风速信号；

风力发电机组仿真模拟模块，用于根据风速信号模拟出发电机组输出的电压和电流特性关系曲线；

单相全控整流桥模块，用于根据风力发电机组仿真模拟模块输出的电压信号模拟出风力发电机经不可控整流后的直流输出电压和电流。

2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述的风力发电机组仿真模拟模块包括风轮机模型、传动系统模型和发电机模型。

3.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述的单相全控整流桥模块包括整流桥控制器模块和单相整流桥模块。

4.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述系统还包含组态监控模块，用于显示全系统数据，并输出控制信号到风力发电机组仿真模拟模块。

5.根据权利要求4所述的模拟系统，其特征在于，所述组态监控模块包括实时显示模块和参数配置模块。

6.根据权利要求5所述的模拟系统，其特征在于，所述参数配置模块选择风力发电机组仿真模拟模块的规格及参数。

7.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述系统还包括数据库模块，用于记录各个模块的输入和输出数据。

8.根据权利要求1-4任一所述的模拟系统，其特征在于，所述系统结构模块调用数据库模块记录的数据。

9.一种基于电力电子技术的风力发电机组模拟系统的模拟方法，其特征在于该系统使用风速信号发生模块、风力发电机组仿真模拟模块、单相全控整流桥模块、组态监控模块、数据库模块，所述的模拟方法包括以下步骤：

1）通过风速信号发生模块，产生风速信号；

2）通过风力发电机组仿真模拟模块，根据风速信号模拟出发电机组输出电压和电流特性关系，结合当前负载特性曲线，确定当前工作点的电压信号给单相全控整流桥模块；

3）通过单相全控整流桥模块，根据风力发电机组仿真模拟模块输出的电压模拟出风力发电机经不可控整流后的直流输出电压。

10.根据权利要求9所述系统的模拟方法，其特征在于，所述步骤2）根据风速信号模拟出发电机组输出的电压和电流特性关系曲线，该电压和电流关系曲线由风力发电机模型运算后确定。

11.根据权利要求9所述系统的模拟方法，其特征在于，所述步骤3)产生的直流输出电压信号，整流桥控制器根据该电压信号发生SPWM信号，单相整流桥模块根据SPWM信号产生直流输出电压。

12.根据权利要求9所述系统的模拟方法，其特征在于，所述系统的模拟方法还包含使用组态监控模块选择风力发电机组仿真模拟模块中包括的风轮机模型、传动系统模型和发电机模型种类的方法，对风力发电机组仿真模拟输出电压信号的控制。

13.根据权利要求9所述系统的模拟方法，其特征在于，所述系统的模拟方法还包括使用数据库模块对各个模块的输出输入信号进行记录，各个模块调用数据库模块所记录的数据进行控制的方法。

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