CN107727422A - 一种大功率风力机动态模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

一种大功率风力机动态模拟实验系统。风力机动态模拟上位机监控系统设置风力发电机组参数和模拟风速。风力机动态模拟控制系统从风力机动态模拟上位机监控系统读取参数，从风力机动态模拟拖动系统读取输出轴的转速转矩值，将计算的转速参考值输出到风力机动态模拟拖动系统。风力机动态模拟拖动系统接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，通过第一拖动变频器的转速控制环和转矩控制环双闭环控制，控制风力机动态模拟拖动系统的转速，第一拖动变频器将转速控制环计算的转矩参考值发送给第二拖动变频器，通过第二拖动变频器的转矩控制环控制第二拖动电机的转矩，实现转矩的均衡分配。

Description

一种大功率风力机动态模拟实验系统

技术领域

本发明涉及一种大功率风力机动态模拟装置。

背景技术

风能是可再生能源中技术发展最为成熟，产业规模最大，经济效益最好的能源，风力发电技术受到世界各国的高度重视。风力发电技术日新月异，不断创新，从陆地发展到海上，从浅海发展到深海，风电机组单机容量越来越大，目前我国风电场安装的风电机组最大单机容量为6MW，更大单机容量的风电机组正在研究设计阶段。

风电机组现场研究实验存在很多缺点和不便，甚至有些诸如安全性能的实验，直接进行现场实验会存在极大的危险，所以实验室的研究实验显得尤为重要。实验室研究实验可快速有效地对新技术、新设计、新产品进行试验、测试和验证，及早发现设计问题及安全隐患，从而达到降低技术风险、减少产品开发费用、缩短研究周期等目的。风电机组研究实验系统为风电机组实验室研究提供了可能，风力机动态模拟是风电机组研究实验系统中的重要组成部分。通过采取合适的控制策略，风力机动态模拟实验系统可模拟实际现场运行的风力机动静态特性。

现有的风力机模拟实验系统大部分采用单个变频器控制单个拖动电机的设计思路，如CN 102879199《一种全工况风力机模拟器》、CN 102156044《适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器选型方法》等。但随着风电机组单机容量的逐步增大，为研究及测试大功率的风电机组，风力机动态模拟实验系统的容量也需相应增大。大功率风力机动态模拟实验系统如仍采用小功率风力机动态模拟实验系统单电机拖动方案，电机的输出转矩受到限制，当传动系统需要较大的驱动功率时，必须特制功率与之相匹配的拖动电机和驱动器，使得系统的成本大大提高，而且过大输出功率的电机受到制造工艺和电机性能的影响，并且大功率驱动器的研制也受到半导体功率器件的限制。采用两电机拖动方案，在输出相同驱动转矩的情况下，拖动电机及驱动器的容量小，可解决上述存在的问题。采用两电机拖动方案，如果负载分配不均，容易导致一台电机过载，一台电机轻载，甚至出现重载电机烧坏现象，为了保证整个风力机动态模拟实验系统稳定可靠的运行，要求两台拖动电机负载分配均衡。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种大功率风力机动态模拟实验系统，本发明可以解决现有风力机模拟系统拖动电机为单电机，在大功率情况下电机容量过大及匹配驱动器困难等问题。本发明可研究及测试大功率风电机组，为风电机组新技术研究开发提供支撑。本发明大功率风力机动态模拟实验系统主要包括三大部分：风力机动态模拟上位机监控系统、风力机动态模拟控制系统和风力机动态模拟拖动系统。风力机动态模拟上位机监控系统控制风力机动态模拟控制系统启动及停止，监视风力机动态模拟拖动系统的运行参数，设置所模拟的实际风电机组的参数以及生成模拟风速等。风力机动态模拟控制系统控制风力机动态模拟拖动系统启动及停止，根据所模拟的实际风电机组的参数、模拟风速以及风力机动态模拟拖动系统的实际转速转矩值，计算得到风力机动态模拟拖动系统的转速参考值。风力机动态模拟拖动系统是风力机动态模拟控制系统的执行机构，风力机动态模拟拖动系统的第一拖动变频器在接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，控制第一拖动电机的转速，模拟风力机运行特性。

风力机动态模拟上位机监控系统由工控机及通讯模块组成。风力机动态模拟控制系统由可编程逻辑控制器(PLC)组成，PLC通过现场总线通讯(Profibus-DP)与风力机动态模拟上位机监控系统通信，通过RS485通讯与风力机动态模拟拖动系统通信。

风力机动态模拟拖动系统由第一拖动变频器、第二拖动变频器、第一拖动电机、第二拖动电机、联轴器及绝对值编码器组成。第一拖动变频器控制第一拖动电机，采用转速控制策略，包括转速控制环和转矩控制环双闭环控制。第二拖动变频器控制第二拖动电机，采用转矩控制策略，仅有转矩控制环。两台拖动变频器通过分布式传动通讯(DDCS)光纤进行通讯。两台拖动电机采用基于直接转矩控制的主从控制结构，其中第一电机作为主电机，第二电机作为从电机。第一拖动电机和第二拖动电机电气及机械参数相同。第一拖动电机和第二拖动电机同轴串联，通过刚性联轴器连接在一起。风力机动态模拟拖动系统的转速由第一拖动变频器控制调节，第二拖动变频器无转速控制环，第二拖动电机通过刚性联轴器跟随第一拖动电机的转速。

在每个控制周期内，风力机动态模拟控制系统通过现场总线通讯从风力机动态模拟上位机监控系统读取计算所需的参数，通过RS485通讯从风力机动态模拟拖动系统读取输出轴的转速转矩值，计算转速参考值，并通过RS485通讯将该转速参考值发送到风力机动态模拟拖动系统。风力机动态模拟拖动系统接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，通过第一拖动变频器的转速控制环计算转矩参考值，分别发送给两台拖动变频器的转矩控制环。由于转矩给定值相同，两台拖动电机的电气及机械参数相同，通过转矩控制环的调节，两台拖动电机的输出转矩相同，实现转矩的均衡分配，从而保证风力机动态模拟实验系统稳定可靠运行，模拟大功率风力机动态运行特性。本发明与现有技术相比，其显著优点主要有：

1)本发明大功率风力机动态模拟实验系统拖动电机采用两台拖动电机同轴串联，在大功率场合保证输出转矩的情况下，克服了单电机容量大、体积大、制造成本高、不利于维护的缺点；

2)本发明大功率风力机动态模拟实验系统采用两台拖动电机，两台拖动变频器，在大功率场合保证输出转矩的情况下，克服了大功率驱动器受制于半导体功率器件的限制。

附图说明

图1是本发明的总体框图；

图2是两台拖动电机控制框图；

图3是本发明的系统运行流程图；

图4是两台拖动电机主从控制运行波形图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明大功率风力机动态模拟实验系统主要包括三大部分：风力机动态模拟上位机监控系统，风力机动态模拟控制系统和风力机动态模拟拖动系统。

风力机动态模拟上位机监控系统控制风力机动态模拟控制系统启动及停止，监视风力机动态模拟拖动系统的运行参数，设置所模拟的实际风电机组的参数以及生成模拟风速等。风力机动态模拟控制系统控制风力机动态模拟拖动系统启动及停止，根据所模拟的实际风电机组的参数、模拟风速以及风力机动态模拟拖动系统的实际转速转矩值，计算得到风力机动态模拟拖动系统的转速参考值。风力机动态模拟拖动系统是风力机动态模拟控制系统的执行机构，风力机动态模拟拖动系统的第一拖动变频器在接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，控制第一拖动电机的转速，模拟风力机运行特性。

风力机动态模拟上位机监控系统由工控机及通讯模块组成，通过Profibus-DP通信将控制命令及参数传输到风力机动态模拟控制系统，并从风力机模拟控制系统读取参数用于监控。风力机动态模拟控制系统由PLC组成。PLC通过从风力机动态模拟上位机监控系统读取的所模拟实际风电机组的参数、模拟风速等相关参数，以及从风力机动态模拟拖动系统读取的转速转矩值，计算得到转速参考值，计算步骤如下：

根据贝叶茨理论计算出风力机从风能中吸收的功率，表达式为：

P_T＝0.5ρπR²v³C_p(λ,β)

式中，P_T为风力机从风能中捕获的功率，ρ为空气密度，R为风力机叶轮半径，v为实际风速，C_p为风能系数，为叶尖速比λ与桨距角β的函数，叶尖速比λ＝ω_t ^R/v，ω_t为风力机风轮转速。

通过上式可计算出在特定风速、桨距角和风轮转速下风力机从风能中吸收的功率，为了使风力机捕获的风能最大，风力机需运行在最佳叶尖速比状态，在特定的风速下，最佳叶尖速比对应一个最佳转速，表达式为：

式中，ω_{t_opt}为对应某一特定风速的风力机风轮最佳转速，λ_opt为最佳叶尖速比。

在特定风速下，当风力机风轮转速等于最佳转速时，即可实现风力机的最大功率跟踪，表达式为：

ω_t＝ω_{t_opt}

风力机的气动转矩由下式得出：

式中，T_r为风力机气动转矩，

利用风力发电机组的数学模型可计算得到风力机风轮转速变化量：

式中，△ω_t为风力机风轮转速变化量，T_G为实际风电机组中发电机电磁转矩折算到风力机侧的等效电磁转矩，J_T为实际风力机的等效转动惯量，B_T为等效摩擦系数。

控制风力机动态模拟拖动系统的转速，使其转速及转速变化量与实际风力机的转速及转速变化量分别相同，即可模拟实际的风力机动态运行特性，即：

ω＝ω_t

△ω＝△ω_t

式中，ω为风力机动态模拟拖动系统的转速，△ω为风力机动态模拟拖动系统的转速变化量。

风力机动态模拟拖动系统的转速参考值其计算公式如下：

风力机动态模拟控制系统将转速参考值通过RS485通讯发送给风力机动态模拟拖动系统。

风力机动态模拟拖动系统由第一拖动变频器、第二拖动变频器、第一拖动电机、第二拖动电机、联轴器及绝对值编码器组成。第一拖动变频器控制第一拖动电机，采用转速控制策略，包括转速控制环和转矩控制环双闭环控制；第二拖动变频器控制第二拖动电机，采用转矩控制策略，仅有转矩控制环。两台拖动变频器通过分布式传动通讯(DDCS)光纤进行通讯。第一拖动电机和第二拖动电机电气及机械参数相同。第一拖动电机和第二拖动电机同轴串联，通过刚性联轴器连接在一起。

图2所示为两台拖动电机的控制框图。两台拖动电机采用基于直接转矩控制的主从控制结构，其中第一电机作为主电机，采用转速控制环、转矩控制环双闭环的转速控制，第二电机作为从电机，采用仅有转矩控制环的转矩控制。风力机动态模拟拖动系统的转速由第一拖动变频器的转速控制环控制调节，第二拖动变频器无转速控制环，第二拖动电机通过刚性联轴器跟随第一拖动电机的转速。

风力机动态模拟拖动系统接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，将转速参考值与第一拖动电机的实际转速值ω作比较，通过第一拖动变频器的转速控制环计算转矩参考值T^*，将转矩参考值T^*分别发送给两个拖动变频器的转矩控制环，转矩参考值T^*与第一拖动电机的实际转矩值T_e1作比较，通过第一转矩控制环调节，输出需要的PWM脉冲电压，控制第一拖动电机，使得第一拖动电机的实际转速为转速参考值实际输出转矩为转矩参考值T^*；转矩参考值T^*与第二拖动电机的实际转矩值T_e2作比较，通过第二转矩控制环调节，输出需要的PWM脉冲电压，控制第二拖动电机，使得第二拖动电机的实际输出转矩为转矩参考值T^*。由于转矩给定值相同，两台拖动电机的电气及机械参数相同，通过转矩控制环的调节，两台拖动电机的输出转矩相同，实现转矩的均衡分配，从而保证风力机动态模拟实验系统稳定可靠运行，模拟大功率风力机动态运行特性。

图3是本发明的系统运行流程图。如图3所示，本发明风力机动态模拟上位机监控系统设置所模拟的实际风电机组的参数以及生成模拟风速，供风力机动态模拟控制系统的PLC实时读取。风力机动态模拟上位机监控系统进行自检查，检查无误后发送指令到PLC，启动风力机动态模拟控制系统。在每个控制周期内，风力机动态模拟控制系统的PLC从风力机动态模拟上位机监控系统获取所需的风电机组参数和风速，从风力机动态模拟拖动系统获取输出轴的转速转矩值，根据贝叶茨理论及风力机最大功率跟踪，计算出待测风力机输出的气动转矩T_r。根据风力发电机组的数学模型计算得到转速参考值将该转速参考值发送给第一拖动变频器，第一拖动变频器对第一拖动电机采用转速控制，包括转速控制环和转矩控制环双闭环控制，转速控制环计算得到转矩参考值T^*，第一拖动变频器将计算的转矩参考值T^*发到给第二拖动变频器。第二拖动变频器对第二拖动电机采用转矩控制，转矩参考值来自第一拖动变频器，通过该控制策略，可保证两台拖动电机的转矩分配均衡。

图4是两台拖动电机主从控制运行波形图。为方便观察，第一拖动电机的转矩和第二拖动电机的转矩纵坐标不同，通过波形可看出，两台拖动电机的转矩波形相同，达到了两台拖动电机转矩分配均衡的目的。

Claims (4)

1.一种大功率风力机动态模拟实验系统，其特征在于：所述的风力机动态模拟实验系统包括风力机动态模拟上位机监控系统、风力机动态模拟控制系统和风力机动态模拟拖动系统；风力机动态模拟上位机监控系统控制风力机动态模拟控制系统启动及停止，监视风力机动态模拟拖动系统的运行参数，设置所模拟的实际风电机组的参数以及生成模拟风速；风力机动态模拟控制系统控制风力机动态模拟拖动系统启动及停止，根据所模拟的实际风电机组的参数、模拟风速以及风力机动态模拟拖动系统的实际转速转矩值，计算风力机动态模拟拖动系统的转速参考值；风力机动态模拟拖动系统为风力机动态模拟控制系统的执行机构，风力机动态模拟拖动系统的第一拖动变频器在接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，控制第一拖动电机的转速，模拟风力机运行特性；风力机动态模拟控制系统通过现场总线通讯与风力机动态模拟上位机监控系统通信，通过RS485通讯与风力机动态模拟拖动系统通信。

2.如权利要求1所述的大功率风力机动态模拟实验系统，其特征在于：所述的风力机动态模拟拖动系统由第一拖动变频器、第二拖动变频器、第一拖动电机、第二拖动电机、联轴器及绝对值编码器组成；第一拖动变频器控制第一拖动电机，采用转速控制策略，包括转速控制环和转矩控制环双闭环控制；第二拖动变频器控制第二拖动电机，采用转矩控制策略，仅有转矩控制环；两台拖动变频器通过分布式传动通讯光纤进行通讯；两台拖动电机采用基于直接转矩控制的主从控制结构，其中第一电机作为主电机，第二电机作为从电机；第一拖动电机和第二拖动电机的电气及机械参数相同；第一拖动电机和第二拖动电机同轴串联，通过刚性联轴器连接在一起；风力机动态模拟拖动系统的转速由第一拖动变频器控制调节，第二拖动变频器无转速控制环，第二拖动电机通过刚性联轴器跟随第一拖动电机的转速。

3.如权利要求1或2所述的大功率风力机动态模拟实验系统，其特征在于：在每个控制周期内，风力机动态模拟控制系统通过现场总线通讯从风力机动态模拟上位机监控系统读取计算所需的参数，通过RS485通讯从风力机动态模拟拖动系统读取输出轴的转速转矩值，计算转速参考值，并通过RS485通讯将该转速参考值发送到风力机动态模拟拖动系统；风力机动态模拟拖动系统接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，通过第一拖动变频器的转速控制环计算转矩参考值，分别发送给两台拖动变频器的转矩控制环；由于转矩给定值相同，两台拖动电机的电气及机械参数相同，通过转矩控制环的调节，两台拖动电机的输出转矩相同，实现转矩的均衡分配。

4.如权利要求3所述的大功率风力机动态模拟实验系统，其特征在于，所述的风力机动态模拟拖动系统接收到风力机动态模拟控制系统输出的转速参考值后，将转速参考值与第一拖动电机的实际转速值ω作比较，通过第一拖动变频器的转速控制环计算转矩参考值T^*，将转矩参考值T^*分别发送给两个拖动变频器的转矩控制环；转矩参考值T^*与第一拖动电机的实际转矩值T_e1作比较，通过第一转矩控制环调节，输出需要的PWM脉冲电压，控制第一拖动电机，使得第一拖动电机的实际转速为转速参考值实际输出转矩为转矩参考值T^*；转矩参考值T^*与第二拖动电机的实际转矩值T_e2作比较，通过第二转矩控制环调节，输出需要的PWM脉冲电压，控制第二拖动电机，使得第二拖动电机的实际输出转矩为转矩参考值T^*。