CN203570507U - 大型风力发电机组缩比控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了大型风力发电机组缩比控制系统，包括：一风机缩比模型，包括一底座，一偏航机构，一变桨机构，一机舱座通过一异步交流拖动电机的转动来实现齿轮变速箱的工作，从而使与齿轮变速箱直接相连的一低速主轴转动，低速主轴直接与一轮毂相连接，一扭矩传感器安装在异步交流拖动电机和双馈风力发电机组之间；一控制模块，包括一双馈风力发电机并网控制器，一隔离变压器和一DSP控制器，所述DSP控制器对第一功率检测装置、第二功率检测装置分析后传输给双馈风力发电机并网控制器，一PLC连接一异步电机拖动变频器的输入端；一上位机操作台，通过总线连接控制模块中的PLC。本实用新型结构新颖，检测结果准确。

Description

大型风力发电机组缩比控制系统

技术领域

本实用新型涉及大型风力发电机组缩比控制系统。 

背景技术

风力发电是将风叶转动的机械能转换为电能。但是在研究风机发电机组结构过程中，由于真实兆瓦级风机体积较大，而采用ABS工程塑料搭建的模型有比较简单，无法真实发电并网，并且无法模拟风力发电机在发电过程中的机械特性，导致现有的风电研究中，对机械结构的研究更多依赖图片及数据仿真，缺乏真实性、直观性；导致研究震动对风力发电机组的影响过程中更多依赖于数据计算，缺少实践环节；导致研究双馈风力发电机组并网时，无法考虑机械结构对机组实验数据影响，导致试验数据与真实发电系统偏差较大，并直接影响到仿真数据的准确性，对于人们研究如何有效利用风资源带来很大的不便。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，利用拖动电机模拟大型风力发电机组的转动转矩特性，并参考大型风力发电机组的机械结构，采用缩比的方式进行机械设计，并采用真实双馈风力发电机组，真实风电机组齿轮箱，提供能够真实模拟兆瓦级双馈风力发电机组机械结构及机械特性，并对发电机并网控制进行研究的缩比控制系统。 

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案实现：本实用新型大型风力发电机组缩比控制系统，与一电网相连，其特征在于，包括：一风机缩比模型，包括一底座，一偏航机构，一变桨机构，一机舱座通过一异步交流拖动电机的转动来实现一齿轮变速箱的工作，从而使与所述齿轮变速箱直接相连的一低速主轴转动，所述低速主轴直接与一轮毂相连接，在所述齿轮变速箱和所述异步交流拖动电机之间进一步包括一刹车装置，一扭矩传感器安装在所述异步交流拖动电机和一双馈风力发电机组之间；一控制模块，包括一双馈风力发电机并网控制器，一隔离变压器和一DSP控制器，所述DSP控制器对第一功率检测装置、第二功率检测装置采集的数据分析后传输给所述双馈风力发电机并网控制器，一PLC连接一异步电机拖动变频器的输入端；一上位机操作台，通过总线连接所述控制模块中的PLC；其中，所述双馈风力发电机并网控制器同所述风机缩比模型中的所述双馈风力发电机组的转子侧连接，所述双馈风力发电机组的定子侧直接通过所述控制模块中的所述隔离变压器同所述电网相连，所述异步电机拖动变频器的输出端连接所述异步交流拖动电机。 

比较好的是，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于，所述双馈风力发电机并网控制器包括一机侧变流器和一网侧变流器，所述机侧变流器和所述网侧变流器连接成共直流母线系统，并利用一直流侧充放电单元对所述直流侧补充充电。 

比较好的是，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于，所述变桨机构进一步包括桨叶片和轮毂，所述轮毂与所述桨叶片相连，所述桨叶片以3个120°角方向安装在所述轮毂上，所述轮毂由步进电机和齿轮组驱动。 

比较好的是，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于，所述双馈风力发电机组和一扭矩传感器采用刚性联轴器相连。 

比较好的是，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于，所述偏航机构进一步包括一偏航齿轮与一偏航减速机构。 

本实用新型中参考了真实兆瓦级双馈风力发电机组的机械结构，通过叶片模拟、电变桨机构、轮毂、低速主轴、齿轮箱、液压刹车、异步拖动系统、双馈风力发电机组、龙骨及塔座等机构，真实的在实验室再现了风机的机械系统构成，同时，结合真实的在线震动检测系统，对影响发电性能及风机运行稳定性的低速轴、齿轮变速箱及发电机等重要部件进行震动检测，基于震动分析的故障诊断系统，可以根据震动的频谱特性，对风机传动链上的的各重要部件进行监测，可诊断出故障类别并报警。 

真实的风机增速齿轮箱，位于系统低速轴及高速轴中间，作为风力发电机组中最重要的机械结构，为了检测风机运行过程中，齿轮箱的状态，在齿轮箱上加装了液压传感器和温度传感器，所采集到的信号不仅可以用作故障报警，同时该数据的曲线分析，也可以满足对齿轮箱的运行稳定、工作状态的分析研究。 

本系统采用PLC作为系统主控制器，真实再现了大型风力发电机组的各种控制状态：系统开机、系统待机、偏航、变桨、发电及并网控制、自动解缆、台风条件下的自我控制保护，以及系统安全链动作时的降功率运行或停车功能。 

同时本装置采用异步电动机作为模拟拖动部分，利用异步电机转速随转矩增加而降低的特性，并经过定制的交流异步电动机，同时加装扭矩传感器，构成转矩控制闭环，保证作为模拟拖动曲线与真实风机转矩曲线的高度重合性。并且在风机低负载转矩的情况下，通过转速限制，实现对系统的保护。 

在数据采集过程中，采用高精度传感器，配合DSP控制器，兼顾了数据采集的准确性，和并网控制的迅速性及精确性。 

本实用新型中的大型风力发电机组缩比控制系统，可以模拟国产主流的1MW、1.5MW和2MW大型风力发电机组的运行机械特性以及风机在不同风速曲线下的转矩特性，并可以使用本系统进行针对不同部件的机械结构改良和控制系统优化。 

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本实用新型的详细描述中，本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。 

图1为本实用新型的功能模块组成框图； 

图2是图1中风机缩比模型100的具体结构示意图。 

附图标记： 

风机缩比模型100 

控制模块200 

偏航机构101 

1  异步交流拖动电机 

2  扭矩传感器 

3  双馈风力发电机组 

4  隔离变压器 

51 第一功率检测装置 

52 第二功率检测装置 

6  直流侧充放电单元 

7  机侧变流器 

8  网侧变流器 

9  异步电机拖动变频器 

10 DSP控制器 

11 PLC 

12 上位机操作台 

13 刚性联轴器 

14 偏航减速机 

15 刹车盘 

16 刹车装置 

17 刹车盘支架 

18 齿轮变速箱 

19 第一支撑轴承 

20 低速主轴 

21 第二支撑轴承 

22 机舱座 

23 偏航定齿轮 

24 偏航动齿轮 

25 底座 

26 轮毂 

27 变桨机构 

28 桨叶片 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的描述： 

请参考图1所示，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统系统包括风机缩比模型100、控制模块200和上位机操作台12三部分组成。 

在控制模块200中，进一步包括以下组成：一双馈风力发电机并网控制器400，该控制器400由机侧变流器7和网侧变流器8组成，并连接成共直 流母线系统，并利用一直流侧充放电单元6对直流侧进行补充充电管理。双馈双馈风力发电机并网控制器400同风机缩比模型100中的双馈风力发电机组3的转子侧连接，以控制双馈风力发电机组3的励磁，使双馈风力发电机组3的定子侧直接通过隔离变压器4同外部电网300相连，实现并网功能。 

此外，控制模块200还包括DSP控制器10，该控制器10对第一功率检测装置51和第二功率检测装置52采集到的数据进行分析，并通过算法控制，将控制信号传输给双馈风力发电机并网控制器400。 

此外，本实用新型的大型风力发电机组缩比控制系统系统还包括一上位机操作台12，通过上位机软件模拟风速，并通过Modbus总线将指令下发至控制模块200中的PLC11中，并由PLC11控制异步电机拖动变频器9。 

如图2所示，本实用新型的风机缩比模型100的详细结构示意图，包括： 

由底座25作为大风机承重支撑，偏航动齿轮24与底座25内的偏航定齿轮23成大风机360度偏航机构101，机舱座22作为整个发电机组模块的支撑，通过异步交流拖动电机1的转动来实现齿轮变速箱18的工作，从而使与齿轮变速箱18直接相连的低速主轴20开始转动，低速主轴20直接与轮毂26相连接（桨叶片28与轮毂26相连），因此轮毂26也跟着转动从而实现风场模拟，变桨机构27包括桨叶片28和轮毂26，轮毂26与桨叶片28相连，桨叶片28以3个120°角方向安装在轮毂26上，轮毂26由步进电机和齿轮组驱动。在齿轮变速箱18和异步交流拖动电机1之间安装刹车装置16，用于低速主轴20停机刹车之用。异步交流拖动电机1，双馈风力发电机组3，扭矩传感器2安装在异步交流拖动电机1和双馈风力发电机组3之间，采用刚性联轴器13相连；异步交流拖动电机1采用交流异步电机拖动变频器9进行拖动控制。双馈风力发电机组3将异步交流拖动电机1的机械能转化为电能。 

本实用新型设计根据高校教学科研需要，摒弃了以往的ABS等工程塑料原料，而采用金属铸造等生产工艺。一方面从结构上可以清晰展示大型风力发电机 组的机械组成，另一方面也可以实现机组的真实发电并网。同时采用了PLC控制的变桨、偏航机构，实现了对大型风机主控系统的仿真。使本系统可以从主控系统、机械结构、发电过程等多方面进行展示。对比目前只能从单一角度进行模拟仿真的设备实现了较大的飞跃。 

本实用新型中的实施例仅用于对本实用新型进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本实用新型保护范围内。 

Claims (5)

1.大型风力发电机组缩比控制系统，与一电网相连，其特征在于，包括： 

一风机缩比模型，包括一底座，一偏航机构，一变桨机构，一机舱座通过一异步交流拖动电机的转动来实现一齿轮变速箱的工作，从而使与所述齿轮变速箱直接相连的一低速主轴转动，所述低速主轴直接与一轮毂相连接，在所述齿轮变速箱和所述异步交流拖动电机之间进一步包括一刹车装置，一扭矩传感器安装在所述异步交流拖动电机和一双馈风力发电机组之间； 

一控制模块，包括一双馈风力发电机并网控制器，一隔离变压器和一DSP控制器，所述DSP控制器对第一功率检测装置、第二功率检测装置采集的数据分析后传输给所述双馈风力发电机并网控制器，一PLC连接一异步电机拖动变频器的输入端； 

一上位机操作台，通过总线连接所述控制模块中的PLC； 

其中，所述双馈风力发电机并网控制器同所述风机缩比模型中的所述双馈风力发电机组的转子侧连接，所述双馈风力发电机组的定子侧直接通过所述控制模块中的所述隔离变压器同所述电网相连，所述异步电机拖动变频器的输出端连接所述异步交流拖动电机。 

2.根据权利要求1所述的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于， 

所述双馈风力发电机并网控制器包括一机侧变流器和一网侧变流器，所述机侧变流器和所述网侧变流器连接成共直流母线系统，并利用一直流侧充放电单元对所述直流侧补充充电。 

3.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于， 

所述变桨机构进一步包括桨叶片和轮毂，所述轮毂与所述桨叶片相连，所述桨叶片以3个120°角方向安装在所述轮毂上，所述轮毂由步进电机和齿轮组驱动。 

4.根据权利要求3所述的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于， 

所述双馈风力发电机组和一扭矩传感器采用刚性联轴器相连。 

5.根据权利要求4所述的大型风力发电机组缩比控制系统，其特征在于， 

所述偏航机构进一步包括一偏航齿轮与一偏航减速机构。 

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