CN206364516U - 模块式双馈型风力发电平台 - Google Patents

Abstract

模块式双馈型风力发电平台，包括由双馈电机与异步电机组成的电拖平台、由变频器与风机模拟器等组成的风机模拟模块、由转子侧变流器、网侧变流器与琴台式监控系统构成。该系统可以仿真各种自然风速曲线，能够支持多种风机模型，变流器部分硬件资源开放式设计，保护考虑全面，该系统各模块以及各模块的子模块都相对独立，能够独立使用，通过系统中的橡胶线插件面板可以灵活组合实现多种实验，该系统兼有开放性与实用性的，特别适合科研人员开发、研究使用，同时也兼顾双馈系统的实训使用。

Description

模块式双馈型风力发电平台

技术领域

本实用新型涉及新能源发电领域，特别涉及一种模块式双馈型风力发电平台。

背景技术

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。

电网的规划设计及调度运行均以大容量同步发电机的特性为基础，如活力发电和水利发电等。但是风力发电机组与传统的同步发电机相比容量小、数量多，并且风电机组的高可控性导致不同厂家甚至是同一厂家不同型号风电机组的动态特性差异较大。随着风力发电在电网中渗透率不断增加，风电并网的安全稳定运行问题也日益突出。为了辅助风力发电并网的规划设计和调度运行，需要深入研究和全面评价风力发电的并网特性及其余并网标准的符合性。

因此，一种既要适合研究人员对于双馈风电并网中出现的问题进行深入研究的实验装置，也要适合部分安装、维护人员熟悉双馈风电系统的运行、操作与模拟控制系统的需求就应运而生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为高校和科研单位提供一种双馈风力发电模拟系统，该系统集科研、实训于一身，能够方便科研人员对双馈风电系统中并网算法，并网引起的问题展开深入研究，也能够方便操作人员通过本装置的操作尽快熟悉双馈系统特点与操作。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

模块式双馈型风力发电平台，包括

风机模拟装置，用于模拟自然风；

电拖平台，连接风机模拟模块依据风机模拟模块所输出的自然风工作，所述电拖平台包括双馈电机、转子侧变流器以及网侧变流器，所述双馈电机的定子绕组直接接入电网，双馈电机的转子绕组输出经转子侧变流器、网侧变流器控制后连接至电网；

工控机，用于控制转子侧变流器、网侧变流器、风机模拟装置以及电拖平台工作。

通过采用上述技术方案，在系统中通过风机模拟装置来模拟自然风，从而驱动双馈电机工作，并输出电能至电网中，电拖平台包括双馈电机、转子侧变流器以及网侧变流器，其中转子侧变流器与双馈电机的转子绕组连接，为转子提供励磁电流，通过改变励磁电流的幅值、相位、频率进而控制发电机的转速、无功功率和有功功率，网侧变流器配合转子侧变流器运行实现能量双向流动，当电机次同步运行时，电网向转子输入能量，转子侧变流器运行在逆变状态，网侧变流器运行在整流状态；当电机超同步运行时，转子向电网输出能量，转子侧变流器作整流运行，网侧变流器做逆变运行，将能量回馈到电网；当电机同步运行时，电网向转子馈入直流励磁电流，转子侧变流器作斩波运行，最后通过工控机仿真及显示，而且还能通过工控机控制上述的风速模拟装置、转子变流器以及网侧变流器工作，最终实现风电的模拟情况。

作为本实用新型的改进，所述风机模拟装置包括，

变频器，所述变频器用于输出不同频率的电源，通过在转矩控制模式和/或速度控制模式两种工作模式下工作以控制风机模拟装置模拟各种自然风并控制电拖平台工作；

风机模拟器，与变频器和工控机相连接并受控于工控机所输出的信号工作并控制变频器工作。

电表模块，连接风机模拟器，用于显示所述风机模拟器的电压、电流数据；

配电开关，用于对风机模拟装置供电。

通过采用上述技术方案，该变频器为矢量型变频器（ABB变频器），可以工作于转矩控制模式也可以工作于频率控制模式，用于输出不同频率的电源，最终可以通过对其控制模拟各种自然风；风机模拟器是一个存有风机计算模型的控制装置，与监控平台相接与ABB变频器相接，将监控平台中的风速模拟控制与风机模型相关数据转换为变频器合理工作模式控制与变频器的转矩或者转速控制数据，电表模块连接风机模拟器，用于显示风机模拟器的电压、电流数据，方便工作人员观察，配电开关用于对风机模拟装置供电，也可对整个系统的配电。

作为本实用新型的改进，所述电拖平台还包括

三相交流变频调速异步电机，连接变频器并受控于变频器工作；

联轴器，所述三相交流变频调速异步电机和双馈电机通过所述联轴器连接；

编码器，设置于所述双馈电机的自由轴伸端。

通过采用上述技术方案，该三相交流变频调速异步电机受控于变频器工作，由于三相交流变频调速异步电机与双馈电机通过连轴连接，当异步电机转动时带动双馈电机运转，对双馈电机励磁后，双馈电机能发出电能，该编码器安装在双馈电机的自由轴伸端用来测量磁极位置和电机转角及转速，具有测量准确、价格便宜，抗污染等特点。

作为本实用新型的改进，所述电拖平台还包括

基座，所述三相交流变频调速异步电机和双馈电机设置与基座之上；

减震垫，设置在基座与三相交流变频调速异步电机和双馈电机之间。

通过采用上述技术方案，基座用于支撑三相交流变频调速异步电机和双馈电机，减震垫设置在三相交流变频调速异步电机和双馈电机下方，以减缓系统的震动。

作为本实用新型的改进，所述风机模拟器包括可供选择的多条风速曲线和/或多个风机模型。

通过采用上述技术方案，在系统中与变频调速异步电机共同来模拟不同风机模型与各种自然风。

作为本实用新型的改进，转子侧变流器包括用于采集电网电压、定子电压、定子电流、转子电流、直流电压和电流的信息，输出到工控机的模拟信号采集电路。

通过采用上述技术方案，为了达到控制更为精确的目的，需要将电网电压、定子电压、定子电流、转子电流、直流电压和电流、转子位置等这些量采集后通过以太网传给工控机。

作为本实用新型的改进，模拟信号采集电路包括交流互感器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器以及AD采集卡，所述信息通过AD采集卡的以太网网口接于工控机。

通过采用上述技术方案，为了实现上述的采集，需要设置多个交流互感器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、编码器等。

作为本实用新型的改进，所述转子侧变流器和网侧变流器均设置有对其控制的DSP控制器。

通过采用上述技术方案，通过两个DSP控制器一对一的对转子侧变流器和网侧变流器进行控制使精确度更高。

作为本实用新型的改进，所述DSP控制器包括TMS320F28335芯片。

作为本实用新型的改进，转子侧变流器包括可控的接触器。

通过采用上述技术方案，为了更加安全，励磁变频器内部设计了弱电控制强电的接触器，用于定子线圈与电网的连接。因为正常情况下，首先需要进行空载并网，当定子电压与电网相位、幅值、频率一致后，再闭合接触器。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：在系统中通过风机模拟装置来模拟自然风，从而驱动双馈电机工作，并输出电能至电网中，电拖平台包括双馈电机、转子侧变流器以及网侧变流器，其中转子侧变流器与双馈电机的转子绕组连接，为转子提供励磁电流，通过改变励磁电流的幅值、相位、频率进而控制发电机的转速、无功功率和有功功率，网侧变流器配合转子侧变流器运行实现能量双向流动，当电机次同步运行时，电网向转子输入能量，转子侧变流器运行在逆变状态，网侧变流器运行在整流状态；当电机超同步运行时，转子向电网输出能量，转子侧变流器作整流运行，网侧变流器做逆变运行，将能量回馈到电网；当电机同步运行时，电网向转子馈入直流励磁电流，转子侧变流器作斩波运行，最后通过工控机仿真及显示，而且还能通过工控机控制上述的风速模拟装置、转子变流器以及网侧变流器工作，最终实现风电的模拟情况。

附图说明

图1是模块式双馈型风力发电平台图;

图2是转子PWM励磁变频器配线图。

图中，1、风机模拟装置；2、电拖平台；21、基座；22、减震垫；23、联轴器；24、转子侧变流器；25、网侧变流器；3、工控机；4、接触器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1所示，模块式双馈型风力发电平台包括风机模拟装置1、电拖平台2、转子变流器、网侧变流器25、工控机3（相当于总监控与控制平台），其中，风机模拟装置11包括风机模拟器和连接风机模拟器的变频器以及电表、配电开关、橡胶跳线转接板，风机模拟器是一个控制模拟风速的装置，是工控机3与变频器之间桥梁，将工控机3的数据通过内部的风机模型算法转换为变频器能够接收的控制模式与控制数据，从而有助于对实际风力发电的仿真模拟，变频器连接风机模拟通过风机模拟器输出的信号来改变变频器输出的变频电源，使连接变频器的异步电机转速改变。

电拖平台2包括联轴器23、三相异步变频器调速电机、双馈电机、编码器、安装基座21、橡胶减震垫22，上述的异步电机通过联轴器23带动双馈电机运转，从而发出电能，同时双馈电机所输出的电能并入电网中。

其中，双馈电机的转子绕组连接转子变流器，该转子变流器为转子绕组提供励磁电流，通过改变励磁电流的幅值、相位、频率进而控制发电机的转速、无功功率和有功功率。由于双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子回路的功率时双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为额定功率的一小部分，而且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的变流器的容量也仅为发电机容量的一小部分，这大大降低了转子变流器的体积和重量。

在电网的一侧设置有网侧变流器25，网侧变流器25配合转子侧变流器24的运行，实现能量双向流动。当电机次同步运行时，电网向转子输入能量，转子侧变流器24运行在逆变状态，网侧变流器25运行在整流状态；当电机超同步运行时，转子向电网输出能量，转子侧变流器24作整流运行，网侧变流器25作逆变运行，将能量回馈到电网；当电机同步运行时，电网向转子馈入直流励磁电流，转子侧变流器24作斩波运行。此外，网侧变流器25还需控制母线电压恒定、调节网侧功率因数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。（当发电机的实际转速低于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于次同步速度运行；当发电机的实际转速等于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于同步速度运行；当发电机的实际转速高于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于超同步速度运行。）

转子变流器和网侧变流器25都采用基于TMS320F28335的DSP控制器控制，DSP仿真器是开发软件与实际DSP器件的桥梁，操作者首先通过仿真软件（比如MATLAB）监控控制模块，仿真成功后，需要在CCS开发环境中，将仿真模型转为及其语言，（比如C、汇编等语言），在通过仿真器下载到DSP控制器中运行从而实现系统整体控制。

工控机3，即常说的服务器、总控制器，上面可以运行多种应用软件，（比如MATLAB、CCS、风速模拟模块等），同时一切操作比如控制风机模拟装置1、转子变流器以及网侧变流器25工作，和监测电拖平台2所输出的电能，均有工控机3去实现。

参照图2所示，是对转子侧变流器24的介绍，转子侧变流器24直流侧DC+、DC-分别与网侧变流器25的直流端对接，电网L1、L2、L3分别与电网的A、B、C连接，发电机定子L1*、L2*、L3*分别与发电机的定子侧U、V、W连接，转子的UVW与端子标注的UVW对接。

为了达到控制的目的，需要将电网电压、定子电压、定子电流、转子电流、直流电压和电流、转子位置等这些量采集到控制器内部，因此就需要设计多种传感器，包括交流互感器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、编码器等。

而且为了更加安全，转子变流器内部设计了弱电控制强电的接触器，用于定子线圈与电网的连接。因为正常情况下，首先需要进行空载并网，当定子电压与电网相位、幅值、频率一致后，才可以闭合接触器4，因此接触器4必不可少。

为了用户更加方便的查看各类数据信息，转子变流器内部集成了液晶屏以及网口通信接口，可以将网口通过网线与计算机连接，并通过应用软件查看设备运行的各类信息、波形等。

双馈电机的变速运行是通过转子变流器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（公式：n定子=转子+实际转速，当发电机的实际转速低于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于次同步速度运行，此时变频器应向发电机转子提供正序励磁电流。从功率角度来说，电机轴上功率PM和转子输入功率Pr都以电磁功率的形式传递到定子侧，再回馈给电网PS。当发电机实际转速高于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于超同步速度运行，此时变频器应向发电机转子提供负序励磁电流，保证定子磁场旋转速度与转子速度一致。从功率角度来说，就是电机轴上功率PM，一部分转化为转差功率Pr通过转子侧变频器回馈到电网，另一部分转化为电磁功率，由定子回馈到电网上，定子输出功率为PS）；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；通过对风力机转速的控制，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。

转子变流器的控制主要包括转子电流相位、有功、无功。其中相位控制主要有转子角度和电网角度差决定的。通过转子电流的d轴分量就可以控制DFIG（双馈电机）向电网发出的有功分量，通过电流的q轴分量就可以控制DFIG向电网发出的无功分量，实现了对系统功率的精确解耦控制。

网侧变流器25与转子变流器原理相同，在此不做赘述，主要是实现配合转子变流器运行。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：包括

风机模拟装置(1)，用于模拟自然风；

电拖平台(2)，连接风机模拟模块依据风机模拟模块所输出的自然风工作，所述电拖平台(2)包括双馈电机、转子侧变流器(24)以及网侧变流器(25)，所述双馈电机的定子绕组直接接入电网，双馈电机的转子绕组输出经转子侧变流器(24)、网侧变流器(25)控制后连接至电网；

工控机(3)，用于控制转子侧变流器(24)、网侧变流器(25)、风机模拟装置(1)以及电拖平台(2)工作。

2.根据权利要求1所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述风机模拟装置(1)包括，

变频器，所述变频器用于输出不同频率的电源，通过在转矩控制模式和/或速度控制模式两种工作模式下工作以控制风机模拟装置(1)模拟各种自然风并控制电拖平台(2)工作；

风机模拟器，与变频器和工控机(3)相连接并受控于工控机(3)所输出的信号工作并控制变频器工作；

电表模块，连接风机模拟器，用于显示所述风机模拟器的电压、电流数据；

配电开关，用于对风机模拟装置(1)供电。

3.根据权利要求1所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述电拖平台(2)还包括

三相交流变频调速异步电机，连接变频器并受控于变频器工作；

联轴器(23)，所述三相交流变频调速异步电机和双馈电机通过所述联轴器(23)连接；

编码器，设置于所述双馈电机的自由轴伸端。

4.根据权利要求3所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述电拖平台(2)还包括

基座(21)，所述三相交流变频调速异步电机和双馈电机设置与基座(21)之上；

减震垫(22)，设置在基座(21)与三相交流变频调速异步电机和双馈电机之间。

5.根据权利要求2所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述风机模拟器包括可供选择的多条风速曲线和/或多个风机模型。

6.根据权利要求1所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：转子侧变流器(24)包括用于采集电网电压、定子电压、定子电流、转子电流、直流电压和电流的信息，输出到工控机(3)的模拟信号采集电路。

7.根据权利要求6所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：模拟信号采集电路包括交流互感器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器以及AD采集卡，所述信息通过AD采集卡的以太网网口接于工控机(3)。

8.根据权利要求1所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述转子侧变流器(24)和网侧变流器(25)均设置有对其控制的DSP控制器。

9.根据权利要求8所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：所述DSP控制器包括TMS320F28335芯片。

10.根据权利要求1所述的模块式双馈型风力发电平台，其特征在于：转子侧变流器(24)包括可控的接触器(4)。