CN110807977B - 一种风力发电实验平台及实验方法 - Google Patents

一种风力发电实验平台及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电实验平台及实验方法，包括对托机组、风力调速单元、风能转换单元。对托机组包括双馈式风力发电对托机组和永磁直驱式风力发电对托机组，双馈式风力发电对托机组包括双馈式风力发电机及用于驱动双馈式风力发电机旋转的三相异步调速电机一，永磁直驱式风力发电对托机组包括永磁直驱式风力发电机及用于驱动永磁直驱式风力发电机旋转的三相异步调速电机二。本发明提供了两种风力发电对托机组，涵盖了两种主流的双馈式风力发电机和永磁直驱式风力发电机及其控制方式。本发明能够使学生了解风力发电的基本应用，学习风力发电的工作原理，掌握风力发电的基本特性及测试方法。

Description

一种风力发电实验平台及实验方法
技术领域
本发明涉及实验平台技术领域，具体涉及一种风力发电实验平台及实验方法。
背景技术
随着中国新能源战略开始把着重发展风力发电作为重点，因此对风力发电产业技术型人才需求量也呈几何级数似的爆炸性增加。国内各职业院校也都开设了相关专业，将风力发电技术引入课堂。但现有的风力发电设备大多采用变频器控制三相异步电动机转动，带动风力发电机旋转，模拟自然风吹动风力发电机的过程。转动时风力发电机开始发电，另外增加行走电机来模拟风向。这种设计结构复杂、体积较大、运输不便，不能深入了解风力发电的技术原理及其特性。
与此同时，还有些现有的风力发电设备大多都是用变频器V/F控制的，这种控制方式并不能真实地体现实际风场效果，无法实现最大发电功率最大追踪；双馈式风力发电机和直驱式风力发电机各有一套独立的PWM变换器，但其实这两套PWM变换器的硬件一致，只有软件有所不同，这种设计增加投资成本，占用空间，且为满足课堂教学资源与培养高技术型人才需求，更深入了解并研究风力发电技术原理及其特性，因此，研制一套能够兼容双馈式风力发电机和直驱式风力发电机的新型风力发电实验平台对风力发电学科专业建设、教学研究以及产业未来的发展具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种风力发电实验平台及实验方法，解决了现有技术中风源模拟不真实、模拟发电机种类单一的技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种风力发电实验平台，其特征在于：包括对托机组、风力调速单元、风能转换单元。所述对托机组包括双馈式风力发电对托机组和永磁直驱式风力发电对托机组，所述双馈式风力发电对托机组包括双馈式风力发电机及用于驱动双馈式风力发电机旋转的三相异步调速电机一，所述永磁直驱式风力发电对托机组包括永磁直驱式风力发电机及用于驱动永磁直驱式风力发电机旋转的三相异步调速电机二。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风力调速单元包括：
变频器模块：向三相异步调速电机一、三相异步调速电机二提供不同的工作模式，所述工作模式包括VF控制模式及矢量控制模式；
卸荷电阻模块：消耗双馈式风力发电机、永磁直驱式风力发电机的部分电能；
能源监测模块：对双馈式风力发电机、永磁直驱式风力发电机的输出能源进行采集；
转速监测模块：对双馈式风力发电机、永磁直驱式风力发电机的转速进行采集及监测；
测试模块：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
励磁电源：向双馈式风力发电机转子侧提供励磁电源；
上位机一：内置风源控制系统，内置风源控制系统设有可视操作界面，风源控制系统用于根据预设风叶参数及风速曲线模拟风速和发电功率的对应曲线关系；所述风叶参数包括桨距角、叶片半径、转动惯量；风源控制系统包括线性VF模型、定叶尖速比控制模型及矢量控制模型。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风能转换单元包括：
机侧PWM变换器：当作为双馈式风力发电机的机侧PWM变换器时，用于向转子绕组提供励磁电流，运行电网电压定向矢量控制模型；当作为永磁直驱式风力发电机的机侧PWM变换器时，用于将永磁永磁直驱式风力发电机发出的电能转换为直流电。
网侧PWM变换器：当作为双馈式风力发电机的网侧PWM变换器时，在发电机处于超同步状态将转子 PWM 励磁变频的直流能量逆变为符合并网要求的交流电能，或在发电机处于次同步状态将电网的交流能量整流成直流能量提供给转子 PWM 变频器；当作为永磁直驱式风力发电机的网侧PWM变换器时，将系统中的直流电转换为与电网同频的交流电馈入电网。
机侧PWM变换模块：提供机侧PWM变换器直流输出端与发电机之间的接口；
网侧PWM变换模块；提供网侧PWM变换器直流输入端与隔离变压器模块的输入端接口；
隔离变压器模块：隔离网侧PWM变换器、机侧PWM变换器与电网；
并网模块：提供发电机定子侧与并网侧接口；
电网模块：在市电与模拟电网两者间的选择投入；
电网模拟器：模拟电网的电压扰动、频率扰动及三相不平衡，将输入交流源能量回馈至电网；
测试模块二：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
上位机二：内置能源管理监控系统，能源管理监控系统对风能转换单元的各模块的数据进行实时监控、实时波形采集、历史数据查询。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风能转换单元还包括通讯管理模块，所述通讯管理模块用于提供上位机和网侧PWM变换模块上的通讯接口。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述输出参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述通讯管理模块包括以太网。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风能转换单元还包括：三相电源模块二：为风能转换单元的各模块提供三相工作电源；
单相电源模块：为风能转换单元的各模块提供单相工作电源。
一种风力发电实验方法，其特征在于：
当采用双馈式风力发电对托机组进行实验时，三相异步调速电机一根据输入的风能参数及模拟风叶参数控制双馈式风力发电机的旋转参数，通过控制双馈式风力发电机转子侧励磁电流的频率，使定子侧输出频率保持恒定，通过控制双馈式风力发电机转子侧励磁电流的幅值和相位，调整定子侧有功功率以及无功功率；
当采用永磁直驱式风力发电对托机组进行试验时，三相异步调速电机二根据输入的风能参数及模拟风叶参数控制永磁直驱式风力发电机的旋转参数；通过控制永磁直驱式风力发电机的定子电流实现外环电压和功率因数调节，再将直流电逆变实现并网和有功、无功解耦；
所述模拟风叶参数包括桨距角、叶片半径、转动惯量。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供了两种风力发电对托机组，涵盖了两种主流的双馈式风力发电机和永磁直驱式风力发电机及其控制方式，配合现有技术中的通用接口，能够即插即用、避免了重复建设，降低了投资成本，减少了占用空间，提高了人工效率。
本发明能够使学生了解风力发电的基本应用，学习风力发电的工作原理，掌握风力发电的基本特性及测试方法。
附图说明
图1是本发明双馈式风力发电对托机组结构图；
图2是本发明永磁式风力发电对托机组结构图；
图3是本发明风力调速单元示意图；
图4是本发明风能转换单元示意图；
附图标记的含义：11-安装基座一；12-双馈式风力发电机；13-三相异步调速电机一；14-联轴器一；15-编码器；16-橡胶减震垫一；21-安装基座二；22-永磁直驱式风力发电机；23-三相异步调速电机二；24-联轴器二；26-橡胶减震垫二；31-三相电源模块一；32-变频器模块；33-卸荷电阻模块；34-能源监测模块；35-转速监测模块；36-测试模块一；37-励磁电源；38-上位机一；41-网侧PWM变换器；42-机侧PWM变换器；43-三相电源模块二；44-单相电源模块；45-网侧PWM变换模块；46-机侧PWM变换模块；47-隔离变压器模块；48-并网模块；49-电网模块；50-通讯管理模块；51-测试模块二；52-上位机二； 53-电网模拟器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图4所示：本实施例公开了一种风力发电实验平台，包括对托机组、风力调速单元、风能转换单元。对托机组包括双馈式风力发电对托机组（图1）和永磁直驱式风力发电对托机组（图2）。
其中，如图1所示：双馈式风力发电对托机组包括双馈式风力发电机12及用于驱动双馈式风力发电机12旋转的三相异步调速电机一13，双馈式风力发电机12与三相异步调速电机一13均安装在安装基座一11，两者的旋转轴之间通过联轴器一14进行连接，联轴器一14最好采用膜片联轴器，具有补偿两轴线不对中的能力强，允许有一定的轴向、径向和角向位移的优点。在安装基座一11的下方设有橡胶减震垫一16，在一定程度上消除设备运行时产生的共振。在双馈式风力发电机12的尾部还设有编码器15，编码器15优选增量式编码器，用于检测双馈式风力发电机12的转速。
如图2所示：永磁直驱式风力发电对托机组包括永磁直驱式风力发电机22及用于驱动永磁直驱式风力发电机22旋转的三相异步调速电机二23，永磁直驱式风力发电机22与三相异步调速电机二23之间的旋转轴通过联轴器二24连接，两者都安装在安装基座二21上，在安装基座二21的下方还设有橡胶减震垫二26，橡胶减震垫二26与联轴器二24的作用可参考上述橡胶减震垫一16、联轴器一14。
如图3所示：本实施例的风力调速单元包括以下各个模块：
三相电源模块一31：向风力调速单元的各模块提供工作电源；
变频器模块32：向三相异步调速电机一13、三相异步调速电机二23提供不同的工作模式，其中，工作模式包括VF（变压变频）控制模式及矢量控制模式；
卸荷电阻模块33：消耗双馈式风力发电机12、永磁直驱式风力发电机22的部分（多余的）电能；
能源监测模块34：对双馈式风力发电机12、永磁直驱式风力发电机22的输出能源进行采集，其输出参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数。
转速监测模块35：对双馈式风力发电机12、永磁直驱式风力发电机22的转速进行采集与监测；测试模块36：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
励磁电源37：向双馈式风力发电机12转子侧提供励磁电源；
上位机一38：控制风力调速单元的各模块并提供可视化的输入、操作界面；上位机一38内置风源控制系统，提供多种风源控制参数的输入，如设定桨距角、叶片半径、转动惯量等值，也可设定多组数据的风速曲线表，任意调整风速变换时间。最后可以通过进行拟合，来查看设定风速与发电机输出功率的对应曲线关系图。风源控制系统软件具备3种控制模型：线性VF模型、定叶尖速比控制模型及矢量控制模型；
本实施例的风力调速单元个模块放置在多层框架上，在多层框架的底部设有脚轮，便于移动。
如图3所示：本实施例的风能转换单元包括：网侧PWM变换器41：可以同时作为双馈式风力发电机12的网侧PWM变换器和永磁直驱式风力发电机22的网侧PWM变换器。当作为双馈式风力发电机12的网侧PWM变换器时，它既可以将转子 PWM 励磁变频的直流能量逆变为符合并网要求的交流电能，也可以将电网的交流能量整流成直流能量提供给转子 PWM 变频器；当作为永磁直驱式风力发电机22的网侧PWM变换器时，它可以将系统中的直流电转换为与电网同频的交流电馈入电网，其在直流母线上并联大电容起稳压和能量储存缓冲的作用。
机侧PWM变换器42：可以同时作为双馈式风力发电机12的机侧PWM变换器和永磁直驱式风力发电机22的机侧PWM变换器。当作为双馈式风力发电机12的机侧PWM变换器时，用于向转子绕组提供励磁电流，其内部采用 DSP 控制器，运行电网电压定向矢量控制模型；当作为永磁直驱式风力发电机22的机侧PWM变换器时，用于将永磁直驱式风力发电机22发出的电能转换为直流电。
网侧PWM变换模块45：提供网侧PWM变换器41直流输入端与隔离变压器模块47的输入端接口；
机侧PWM变换模块46：提供机侧PWM变换器42直流输出端与发电机之间的接口；
离变压器模块47：隔离网侧PWM变换器41、机侧PWM变换器42与电网；并网模块48：提供发电机定子侧与并网侧接口；
电网模块49：在市电与模拟电网两者间的选择投入；
测试模块二51：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
上位机二52：内置能源管理监控软件，功能包括对风能转换单元的各模块的数据进行实时监控功能、实时波形采集功能、历史数据查询功能、算法研究功能，算法研究功能研究的是电网定向矢量算法，用户可以非常清晰的了解算法结构，同时可以获取每个步骤的计算结果值，以便仿真分析。风能转换单元还包括通讯管理模块50，通讯管理模块50用于提供上位机和机侧PWM变换模块64上的接口。通讯管理模块50最好是以太网接口。
风能转换单元还包括：三相电源模块二43：为风能转换单元的各模块提供三相工作电源；
单相电源模块44：为风能转换单元的各模块提供单相工作电源。
实验时，在上位机一38的操作界面上输入模拟的外界自然环境（风能参数）及模拟风叶的参数值，其中模拟风叶的参数值包括设定桨距角、叶片半径、转动惯量等参数。外界自然环境包括风速、风向等，也可同时设定多组数据的风速曲线表，任意调整风速变换时间，最后可以通过进行拟合，来查看设定风速与发电机输出功率的对应曲线关系图。
然后变频器模块32首先选择矢量控制的工作模式，当采用双馈式风力发电对托机组进行实验时，对三相异步调速电机一13进行矢量控制，控制双馈式风力发电机12旋转参数的输入，具体是：励磁电源37向双馈式风力发电机12转子侧提供励磁电源，用于控制双馈式风力发电机12的定子磁场。双馈式风力发电机12的变速运行是通过变频器模块32在电机转子绕组中施加三相低频交流电实现的。调节励磁电流的频率，可以确保定子侧输出频率保持恒定；采用矢量控制技术，调节励磁电流的幅值和相位，可以确保定子侧有功功率以及无功功率的控制互不干扰；通过对双馈式风力发电机12转速的控制，可以实现最大功率点跟踪，尽量多的吸收风能，而调节无功功率可以控制向电网输出的功率因数，也可以提高风力发电系统运行的动、静态性能。
在上述发电机发电的过程中，能源监测模块34对双馈式风力发电机12、永磁直驱式风力电机22的输出参数进行采集并上传至上位机一38；转速监测模块35对双馈式风力发电机12或永磁直驱式风力发电机22的转速进行采集。
当采用永磁直驱式风力发电对托机组进行试验时，采用上述相同的方式对三相异步调速电机二23进行控制（通过控制永磁直驱式风力发电机的定子电流实现外环电压和功率因数调节，再将直流电逆变实现并网和有功、无功解耦。）。
当永磁直驱式风力发电机22作为发电机时，其发出的是频率变化的交流电，通过机侧PWM变换器42整流成为直流电，再通过网侧PWM变换器41变换为频率恒定的交流电送入电网，变频器容量和风力发电系统的容量匹配。
风力发电机输出端连接机侧PWM变换器42和网侧PWM变换器41后实现与市电AC380V的并网，风力发电机特性测试监控系统主要由计算机、监控软件等组成，该系统能够实现对风力发电机模拟运行装置、机侧变流器和网侧变流器等设备的数据实时监控以及记录保存。
当通过电网模拟器53设置模拟电网跌落时，通过调节网侧PWM变换器41，向电网注入无功电流、并在电网恢复正常电压后快速恢复到故障前的有功力状态，保证双馈式风力发电机12或永磁直驱式风力发电机22不脱网连续运行的能力，实现低电压穿越实验。
本发明提供了两种风力发电对托机组，涵盖了两种主流的双馈式风力发电机和永磁直驱式风力发电机及其控制方式，配合现有技术中的通用接口，能够即插即用、避免了重复建设，降低了投资成本，减少了占用空间，提高了人工效率。本发明能够使学生了解风力发电的基本应用，学习风力发电的工作原理，掌握风力发电的基本特性及测试方法。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风力发电实验平台，其特征在于：包括对托机组、风力调速单元、风能转换单元，所述对托机组包括双馈式风力发电对托机组和永磁直驱式风力发电对托机组，所述双馈式风力发电对托机组包括双馈式风力发电机(12)及用于驱动双馈式风力发电机(12)旋转的三相异步调速电机一(13)，所述永磁直驱式风力发电对托机组包括永磁直驱式风力发电机(22)及用于驱动永磁直驱式风力发电机(22)旋转的三相异步调速电机二(23)；
所述风力调速单元包括：
变频器模块(32)：向三相异步调速电机一(13)、三相异步调速电机二(23)提供不同的工作模式，所述工作模式包括VF控制模式及矢量控制模式；
卸荷电阻模块(33)：消耗双馈式风力发电机(12)、永磁直驱式风力发电机(22)的部分电能；
能源监测模块(34)：对双馈式风力发电机(12)、永磁直驱式风力发电机(22)的输出能源进行采集；
转速监测模块(35)：对双馈式风力发电机(12)、永磁直驱式风力发电机(22)的转速进行采集及监测；
测试模块(36)：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
励磁电源(37)：向双馈式风力发电机(12)转子侧提供励磁电源；
上位机一(38)：内置风源控制系统，内置风源控制系统设有可视操作界面，风源控制系统用于根据预设风叶参数及风速曲线模拟风速和发电功率的对应曲线关系；所述风叶参数包括桨距角、叶片半径、转动惯量；风源控制系统包括线性VF模型、定叶尖速比控制模型及矢量控制模型；
所述风能转换单元包括：
机侧PWM变换器(42)：当作为双馈式风力发电机(12)的机侧PWM变换器时，用于向转子绕组提供励磁电流，运行电网电压定向矢量控制模型；当作为永磁直驱式风力发电机(22)的机侧PWM变换器时，用于将永磁直驱式风力发电机发出的电能转换为直流电；
网侧PWM变换器(41)：当作为双馈式风力发电机(12)的网侧PWM变换器时，在发电机处于超同步状态将转子PWM励磁变频的直流能量逆变为符合并网要求的交流电能，或在发电机处于次同步状态将电网的交流能量整流成直流能量提供给转子PWM变频器；当作为永磁直驱式风力发电机的网侧PWM变换器时，将系统中的直流电转换为与电网同频的交流电馈入电网；
机侧PWM变换模块(46)：提供机侧PWM变换器(42)直流输出端与发电机之间的接口；
网侧PWM变换模块(45)；提供网侧PWM变换器(41)直流输入端与隔离变压器模块(47)的输入端接口；
隔离变压器模块(47)：隔离网侧PWM变换器(41)、机侧PWM变换器(42)与电网；
并网模块(48)：提供发电机定子侧与并网侧接口；
电网模块(49)：在市电与模拟电网两者间的选择投入；
电网模拟器(53)：模拟电网的电压扰动、频率扰动及三相不平衡，将输入交流源能量回馈至电网；
测试模块二(51)：提供测试接口，所述测试接口包括发电机侧实验数据测试接口、电动机侧实验数据测试接口及电网侧实验数据测试接口；
上位机二(52)：内置能源管理监控系统，能源管理监控系统对风能转换单元的各模块的数据进行实时监控、实时波形采集、历史数据查询、算法研究功能。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风能转换单元还包括通讯管理模块(50)，所述通讯管理模块(50)用于提供上位机和网侧PWM变换模块(64)上的通讯接口。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述输出参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数。
4.根据权利要求2所述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述通讯管理模块(50)包括以太网。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电实验平台，其特征在于：所述风能转换单元还包括：三相电源模块二(43)：为风能转换单元的各模块提供三相工作电源；
单相电源模块(44)：为风能转换单元的各模块提供单相工作电源。
6.采用权利要求1所述的一种风力发电实验平台的一种风力发电实验方法，其特征在于：
当采用双馈式风力发电对托机组进行实验时，三相异步调速电机一(13)根据输入的风能参数及模拟风叶参数控制双馈式风力发电机(12)的旋转参数，通过控制双馈式风力发电机(12)转子侧励磁电流的频率，使定子侧输出频率保持恒定，通过控制双馈式风力发电机(12)转子侧励磁电流的幅值和相位，调整定子侧有功功率以及无功功率；
当采用永磁直驱式风力发电对托机组进行试验时，三相异步调速电机二(23)根据输入的风能参数及模拟风叶参数控制永磁直驱式风力发电机(22)的旋转参数；通过控制永磁直驱式风力发电机的定子电流实现外环电压和功率因数调节，再将直流电逆变实现并网和有功、无功解耦；
所述模拟风叶参数包括桨距角、叶片半径、转动惯量。
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