CN210270609U - 一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台 - Google Patents

一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台 Download PDF

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牛玺童
韩非
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COMMERCIAL AIRCRAFT CONTROL INFORMATION TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co.,Ltd.
Nanjing taidai Electromechanical Technology Research Institute Co.,Ltd.
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Commercial Aircraft Control Information Technology Shanghai Co ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台,包括:PC机,用于通过模拟软件模拟设计的风机并网控制算法,同时还通过显示器显示界面显示各个设备的基本参数、工况;实时控制器,用于运行PC机建立的模拟模型;变频器;风力模拟电机;风机用电机;开源四象限背靠背驱动器,由两个三相桥模块组成,两个三相桥模块分别通过各自的IGBT驱动器驱动,且三相桥模块之间通过直流母线导电连接;实时控制器的信号端还分别与变频器、两个IGBT驱动器的控制端通讯连接;两个三相桥模块各为网侧三相桥模块、机侧三相桥模块,所述网侧三相桥模块的交流电输出端还与变频器的接电端导电连接;风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴连接。

Description

一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台
技术领域
本实用新型涉及风机并网控制技术研发与测试领域,特别是涉及一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台。
背景技术
近年来,随着分布式新能源及控制技术研究的迅速发展,促进了风机并网控制系统在多种微电网系统和电力电子控制领域中的广泛应用,其应用场合包括:新能源发电系统、微电网控制及电力电子控制等领域。作为最常见和基础的新能源发电转换装置,风机并网控制系统的转速跟踪精度、对风力变化的抗干扰能力及并网电能质量都对电网和风机用电机起到至关重要的作用,因而对于风机并网控制技术的高精度控制受到越来越多的关注。此外,为降低研究的时间成本和提高测试效率,研究一种具有良好的兼容性和扩展性、提供快速便捷的开发环境、集成多种运行状态和安全可靠的风机并网控制技术研发与测试平台就显得尤为必要。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台,其具有良好的兼容性和扩展性、可提供快速便捷的开发环境、且集成性高、安全可靠等特性。
为实现上述目的,本实用新型提供了一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台,包括:
PC机,用于通过模拟软件模拟设计的风机并网控制算法,同时还通过显示器显示界面显示各个设备的基本参数、工况;
实时控制器,用于运行PC机建立的模拟模型;PC机信号端与实时控制器信号端通讯连接;
变频器,用于控制风力模拟电机输入电源的频率,从而调节风力模拟电机的运行状态;
风力模拟电机,用于过设定转矩来模拟风力变化;
风机用电机,用于发电;
开源四象限背靠背驱动器,由两个三相桥模块组成,两个三相桥模块分别通过各自的IGBT驱动器驱动,且三相桥模块之间通过直流母线导电连接;实时控制器的信号端还分别与变频器、两个IGBT驱动器的控制端通讯连接;
两个三相桥模块中与风机用电机电源输出端导电连接的为机侧三相桥模块;与滤波器的接入端导电连接的为网侧三相桥模块;所述网侧三相桥模块的交流电输出端还与变频器的接电端导电连接;风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴连接。
优选地,实时控制器为dSPACE实时控制器,dSPACE实时控制器为基于dSPACE系统的实时处理器。
优选地,还包括滤波器,其用于对需要并网的交流电进行滤波。
优选地,机侧三相桥模块用于将风机用电机发出的交流电转换为直流电并通过直流母线输送至网侧三相桥模块,然后通过网侧三相桥模块将此直流电转换为能够并网的交流电,再输送入滤波器中进行滤波,最后并入电网。
优选地,所述风机用电机通过电机编码器实时测量其转速,且风机用电机输出的交流电通过机侧电流传感器检测其输出的电流;
所述开源四象限背靠背驱动器输出的交流电通过网侧电流传感器检测其电流大小;所述电网通过电网电压传感器检测其电压;
所述电机编码器、电流传感器、网侧电流传感器、电网电压传感器的检测信号分别输入与实时控制器内。
优选地,风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴通过联轴器连接,且风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴同轴。
优选地,实时控制器通过CAN或RS485等通信结构与变频器通信;
实时控制器具有超过100个输入/输出接口,其中包含模拟输入/输出、数字输入/输出、CAN、RS485、以太网和增量式/霍尔位置编码器接口;
商用变频器的CAN或RS485接口连接至的dSPACE实时控制器的CAN/RS485接口;
机侧电流传感器、电网电压传感器及网侧电流传感器的测量信号连接至的模拟输入接口,风机用电机的电机编码器信号连接至霍尔位置编码器接口,开源四象限背靠背驱动器的数字驱动信号连接至的数字输出接口,PC机与实时控制器通过以太网相连,进行数据的实时交换。
优选地,开源四象限背靠背驱动器包含有可直接连接模拟与数字隔离接口的接口模块,此接口模块包含有两组三相PWM接口和6组IO模拟PWM端口,以3组IO模拟PWM端口和1组内部PWM接口进行互补扩展。
优选地,两个三相桥模块的指标为直流母线电压600V,额定容量15KVA,直流母线和两端三相桥模块的交流侧均安装有螺栓式熔断器;
IGBT驱动器的指标为最大可达50KHz频率驱动1200V 200A IGBT,每路IGBT驱动器都采用双路推挽扩流设计。
优选地,还包括电流采样模块、电压采样模块,所述电流采样模块的信号采样端分别与网侧电流传感器、机侧电流传感器的输出端通讯连接,且电流采样模块的输出端与实时控制器的模拟输入接口通讯连接;
电压采样模块的信号采集端与电网电压传感器的输出端通讯连接、信号输出端与实时控制器的模拟输入接口通讯连接。
本实用新型的有益效果是:
1)本实用新型具有良好的兼容性和扩展性,本实用新型不仅可提供透明的硬件结构和控制算法程序,而且提供大量的接口,方便后期的拓展开发和研究。
2)本实用新型具有快速便捷的开发环境,采用基于的实时控制器,可以实现和MATLAB/Simulink的无缝连接,多模式实时观察变量变化,可实施更改算法参数,且存储数据十分便捷。
3)本实用新型集成多种运行状态,无需更改硬件就可进行多种风机外部工况运行模式的切换,可适应多种研究要求。
4)本实用新型具有简单完备的安全保护体系(通过各个参数进行自动匹配控制,防止意外)和可靠的运行环境,可提高研究及测试的效率。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明:
参见图1,本实施例的基于实时控制器的风机并网测试和研发平台,包括:
PC机2,用于通过模拟软件模拟设计的风机并网控制算法,同时还通过显示器显示界面9以方便操作者观察,界面9上可以显示各个设备的基本参数、工况;模拟软件可以是现有的MATLAB等离线仿真算法软件。
dSPACE实时控制器2,用于运行PC机建立的模拟模型,其为基于dSPACE系统的实时处理器,可对各个设备进行实时控制;PC机2信号端与dSPACE实时控制器2信号端通讯连接,从而使得PC机2与dSPACE实时控制器2之间可以进行数据交互,如PC机2向dSPACE实时控制器2输入控制参数,dSPACE实时控制器2向PC机2实时反馈各个设备参数,这些参数可以实时存储在PC机的硬盘内,从而更加利于开发、找错、调试等。
变频器3,用于控制风力模拟电机4电源的频率,从而调节风力模拟电机4的运行状态;本实施例的变频器采用工业用变频器。
风力模拟电机4,用于过设定转矩来模拟风力变化;
风机用电机5,其为一个风力发电的发电机,处于发电状态;
滤波器7,用于对需要并网的交流电进行滤波,使其能够与电网顺利并网;
开源四象限背靠背驱动器6,由两个三相桥模块(三相整流桥)组成,两个三相桥模块分别通过各自的IGBT驱动器驱动,且三相桥模块之间通过直流母线导电连接;
两个三相桥模块中与风机用电机5电源输出端导电连接的为机侧三相桥模块;与滤波器7的接入端导电连接的为网侧三相桥模块;
机侧三相桥模块用于将风机用电机5发出的交流电转换为直流电并通过直流母线输送至网侧三相桥模块,然后通过网侧三相桥模块将此直流电转换为能够并网的交流电,再输送入滤波器7中进行滤波,最后并入电网8。
所述风机用电机5通过电机编码器10实时测量其转速,且风机用电机5输出的交流电通过机侧电流传感器11检测其输出的电流,本案定义为机侧电流;
所述开源四象限背靠背驱动器6输出的交流电通过网侧电流传感器12检测其电流大小,本案定义此电流为网侧电流;
所述电网8通过电网电压传感器13检测其电压,本案将此电压定义为电网电压;
机侧电流传感器11、网侧电流传感器12均为电流传感器或具有类似功能的电流值测量装置,所述电网电压传感器13为电压传感器或具有类似功能的电压值测量装置;
所述电机编码器10、电流传感器11、网侧电流传感器12、电网电压传感器13的输出端分别与dSPACE实时控制器2信号端通讯连接,从而使得dSPACE实时控制器2能够实时获取机侧电流、网侧电流、电网电压这三个参数。在现有技术中,知晓这三个参数和风机用电机的基本参数就能够进行并网控制算法的设计。
dSPACE实时控制器2的信号端还分别与变频器3、两个IGBT驱动器的控制端通讯连接,从而使得dSPACE实时控制器2能够分别向变频器3、IGBT驱动器输入控制指令,以控制其运行状态;
所述网侧三相桥模块的交流电输出端还与变频器3的接电端导电连接,从而将交流电输送入变频器3,然后通过变频器3输送入风力模拟电机4;风力模拟电机4的输出轴与风机用电机5的输入轴连接,从而使得风力模拟电机4转动时可以驱动风机用电机5的转子转动,也就是驱动风机用电机5转动发电。优选地,风力模拟电机4的输出轴与风机用电机5的输入轴通过联轴器连接,且风力模拟电机4的输出轴与风机用电机5的输入轴同轴。这种设计主要是要保证风力模拟电机4的输出轴与风机用电机5的输入轴之间传动的稳定性。
优选地,dSPACE实时控制器2通过CAN或RS485等通信结构与商用变频器通信,从而通过控制商用变频器向风力模拟电机4输入的电源频率以控制风力模拟电机,如通过设定风力模拟电机的转矩来模拟风力变化。
优选地,dSPACE实时控制器具有超过100个输入/输出接口,其中包含模拟输入/输出、数字输入/输出、CAN、RS485、以太网和增量式/霍尔位置编码器接口;
商用变频器的CAN或RS485接口连接至的dSPACE实时控制器的CAN/RS485接口;
机侧电流传感器、电网电压传感器及网侧电流传感器的测量信号连接至的模拟输入接口,风机用电机的电机编码器信号连接至霍尔位置编码器接口,开源四象限背靠背驱动器的数字驱动信号连接至的数字输出接口,PC机与dSPACE实时控制器通过以太网相连,进行数据的实时交换。
优选地,开源四象限背靠背驱动器6包含有可直接连接模拟与数字隔离接口的接口模块,此接口模块包含有两组三相PWM接口和6组IO模拟PWM端口,以3组IO模拟PWM端口和1组内部PWM接口进行互补扩展;
两个三相桥模块的指标为直流母线电压600V,额定容量15KVA,直流母线和两端三相桥模块的交流侧均安装有螺栓式熔断器。且IGBT驱动器的指标为最大可以50KHz频率驱动1200V 200A IGBT,每路IGBT驱动器都采用双路推挽扩流设计,再配合优良的散热设计(本案未公开,实际实施时,直接采用现有的散热设计或散热器),就能以较小的温升获得4A的驱动能力。
优选地,在采用多个电流传感器、电压传感器时,为了进行集成化管理,可以分别设置电流采样模块15、电压采样模块16,所述电流采样模块15的信号采样端分别与网侧电流传感器12、机侧电流传感器11的输出端通讯连接,从而分别采集网侧电流传感器12、机侧电流传感器11的信号,且电流采样模块15的输出端与dSPACE实时控制器1的信号端通讯连接,从而将采样的信号处理后转送至dSPACE实时控制器1;
电压采样模块16的信号采集端与电网电压传感器13的输出端通讯连接、信号输出端与dSPACE实时控制器1通讯连接,从而将采样的信号处理后转送至dSPACE实时控制器1。
这种设计将电流采样模块15、电压采样模块16分别与电流传感器、电压传感器分离,增加系统灵活性,方便电源线布线,特别是需要增加探测点时十分方便。
本实施例中,电流传感器模块,可使用不同量程的霍尔电流传感器,额定电流25A至100A;
电压采样模块可适应不同电压范围(最大DC600V,AC400V),从而提高系统稳定性,降低增益漂移,输出电压范围为正负10V,最大网侧电流为50mA,且可直接与的电压采样模块模拟采样接口连接,另外还采用屏蔽线进一步降低采样系统噪声水平。
本实施例的PC机安装有包含显示实时应用程序运行时的变量和参数的图形及数值插件,实时设置和更改运行算法参数的输入控件,且具有存储实验数据及可转为mat格式的功能,此外还可提供丰富的软件模块,从而应对各种不同的情况。
本实用新型的使用方式如下:
S1、首先在PC端2上完成基于MATLAB的离线仿真,基于MATLAB完成相关软件算法的设计,得到理想的仿真结构;
S2、在S1的仿真结构基础上,对程序进行简单的修改,删除仿真时使用的风力模拟(模拟测试时的风力模拟电机)、风机(模拟测试时的风机用电机)、电网(模拟测试时的电网)及背靠背变流器(模拟测试时的开源四象限背靠背驱动器)模型,同时根据实时控制器提供的接口模块及其引脚定义来更改模型端口以连接实际输入/输出端口,在实时控制器上完成程序的编译和自动加载;
S3、对PC机的界面9进行设计,对测量变量的选择合适的仪表/显示控件,并把控制器参数和目标指标与相应的输入控件进行关联,最后运行实时控制器,连接商用变频器、风力模拟电机、风机用电机、开源四象限背靠背驱动器、滤波器和电网,就可以快速完成对于风机并网控制系统的设计。
本实用新型的测试的测试方式如下:
S1、将风力模拟电机4和风机用电机5安装在定制的支撑台架上、固定,调节两者的中轴线位置将两者调整到相同的位置,然后将两电机主轴通过联轴器可靠连接;
S2、通过PC机2的程序设定,在实时控制器中运行设定的程序,驱动开源四象限背靠背驱动器6对风力模拟电机4进行指令下发,使风力模拟电机4输出指定的转矩;
S3、更改风力模拟电机4转矩大小,通过PC机的界面可以显示其变化情况,同理,通过PC机程序设定,在实时控制器中运行设定的程序,驱动开源四象限背靠背驱动器6对风力模拟电机4进行PWM给定,使其输出指定的转速和并网指标;
S4、更改转速大小和并网指标,通过截面9可以显示变化情况,就可以实现所用算法关于风机用电机的转速输出性能和并网电能质量指标等参数的测量和标定,所述算法可由系统使用人员自行研发或直接采用现有的算法。
本实用新型可通过设置PC机的仿真算法,更改实时控制器的参数,从而控制背靠背四象限驱动器对商用变频器进行指令下发,以通过改变风力模拟电机4转矩大小来设计风力工况;
利用可视化界面实时功率检测和反馈商用变频器的输出转矩、风机用电机5的位置/机侧电流、电网电压及网侧电流的测量情况,实现对于整个风机并网控制研究测试平台的安全稳定运行,且可大大提升研究开发效率。
本实用新型未详述之处,均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于实时控制器的风机并网测试和研发平台,其特征在于,包括:
PC机,用于通过模拟软件模拟设计的风机并网控制算法,同时还通过显示器显示界面显示各个设备的基本参数、工况;
实时控制器,用于运行PC机建立的模拟模型;PC机信号端与实时控制器信号端通讯连接;
变频器,用于控制风力模拟电机输入电源的频率,从而调节风力模拟电机的运行状态;
风力模拟电机,用于过设定转矩来模拟风力变化;
风机用电机,用于发电;
开源四象限背靠背驱动器,由两个三相桥模块组成,两个三相桥模块分别通过各自的IGBT驱动器驱动,且三相桥模块之间通过直流母线导电连接;实时控制器的信号端还分别与变频器、两个IGBT驱动器的控制端通讯连接;
两个三相桥模块中与风机用电机电源输出端导电连接的为机侧三相桥模块;与滤波器的接入端导电连接的为网侧三相桥模块;所述网侧三相桥模块的交流电输出端还与变频器的接电端导电连接;风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴连接。
2.如权利要求1所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,实时控制器为dSPACE实时控制器,dSPACE实时控制器为基于dSPACE系统的实时处理器。
3.如权利要求1所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,还包括滤波器,其用于对需要并网的交流电进行滤波。
4.如权利要求3所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,机侧三相桥模块用于将风机用电机发出的交流电转换为直流电并通过直流母线输送至网侧三相桥模块,然后通过网侧三相桥模块将此直流电转换为能够并网的交流电,再输送入滤波器中进行滤波,最后并入电网。
5.如权利要求4所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,所述风机用电机通过电机编码器实时测量其转速,且风机用电机输出的交流电通过机侧电流传感器检测其输出的电流;
所述开源四象限背靠背驱动器输出的交流电通过网侧电流传感器检测其电流大小;所述电网通过电网电压传感器检测其电压;
所述电机编码器、电流传感器、网侧电流传感器、电网电压传感器的检测信号分别输入与实时控制器内。
6.如权利要求1所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴通过联轴器连接,且风力模拟电机的输出轴与风机用电机的输入轴同轴。
7.如权利要求5所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,实时控制器通过CAN或RS485等通信结构与变频器通信;
实时控制器具有超过100个输入/输出接口,其中包含模拟输入/输出、数字输入/输出、CAN、RS485、以太网和增量式/霍尔位置编码器接口;
商用变频器的CAN或RS485接口连接至的dSPACE实时控制器的CAN/RS485接口;
机侧电流传感器、电网电压传感器及网侧电流传感器的测量信号连接至的模拟输入接口,风机用电机的电机编码器信号连接至霍尔位置编码器接口,开源四象限背靠背驱动器的数字驱动信号连接至的数字输出接口,PC机与实时控制器通过以太网相连,进行数据的实时交换。
8.如权利要求1或7所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,开源四象限背靠背驱动器包含有可直接连接模拟与数字隔离接口的接口模块,此接口模块包含有两组三相PWM接口和6组IO模拟PWM端口,以3组IO模拟PWM端口和1组内部PWM接口进行互补扩展。
9.如权利要求1所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,两个三相桥模块的指标为直流母线电压600V,额定容量15KVA,直流母线和两端三相桥模块的交流侧均安装有螺栓式熔断器;
IGBT驱动器的指标为最大可达50KHz频率驱动1200V 200AIGBT,每路IGBT驱动器都采用双路推挽扩流设计。
10.如权利要求1所述的风机并网测试和研发平台,其特征在于,还包括电流采样模块、电压采样模块,所述电流采样模块的信号采样端分别与网侧电流传感器、机侧电流传感器的输出端通讯连接,且电流采样模块的输出端与实时控制器的模拟输入接口通讯连接;
电压采样模块的信号采集端与电网电压传感器的输出端通讯连接、信号输出端与实时控制器的模拟输入接口通讯连接。
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