專利名稱：一種風力發(fā)電模擬平臺及其模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及風力發(fā)電模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種風力發(fā)電模擬平臺及其模擬方法。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電作為一種有效的可再生能源利用形式，近年來越來越受到關(guān)注，但是由于條件所限大量的實際風場實驗驗證是不現(xiàn)實的，為了高效的對系統(tǒng)控制 策略及軟硬件進行驗證，通常需要對風力發(fā)電系統(tǒng)進行前期的實驗室地面模擬實驗研究，因而風力發(fā)電實驗室模擬系統(tǒng)應(yīng)用而生?！讹L力發(fā)電機組風輪功率輸出特性模擬實驗方法》(CN136351，沈陽工業(yè)大學(xué))公開了精確地風速模型，適用于模擬實際風電場的工況；《一種變速恒頻風力雙饋發(fā)電機實驗?zāi)M系統(tǒng)》(CN1972115A，中國科學(xué)院電工研究所)公開的模擬實驗平臺可以模擬水力雙饋發(fā)電機系統(tǒng)；《多功能風力發(fā)電模擬實驗平臺》(申請?zhí)?01110113933. 8，燕山大學(xué))公布了可對兆瓦級風機進行低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩模擬的系統(tǒng)。上述發(fā)明提出的風電模擬系統(tǒng)模擬了風機氣動特性(跟蹤轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線)、MPPT控制、槳距角控制等常規(guī)特性。而對影響并網(wǎng)電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電網(wǎng)適應(yīng)性等的風電中的重難點問題沒有涉及，不能準確地反映實際整個風機系統(tǒng)的特性，滿足不了當前風電研究的需要。且現(xiàn)有的風機模擬系統(tǒng)都只對某一固定風力發(fā)電機型進行模擬實驗，模擬平臺不具備通用性。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供一種風力發(fā)電模擬平臺及其模擬方法，在模擬常規(guī)的風機氣動特性(跟蹤轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線)、MPPT控制、槳距角控制的基礎(chǔ)上，模擬重現(xiàn)了由于風剪、塔影效應(yīng)引起的并網(wǎng)功率脈動和柔性傳動軸造成的機械振動，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的跌落和驟升。為研究并網(wǎng)電能質(zhì)量，系統(tǒng)穩(wěn)定性，低電壓穿越(LVRT)等當前風電中的關(guān)鍵問題提供了實驗平臺。風力發(fā)電模擬平臺，其特征在于包括有風機模擬器、異步電機系統(tǒng)、雙饋電機系統(tǒng)、電壓跌落裝置、聯(lián)軸器，所述的異步機系統(tǒng)包括四象限整流器、變頻器、異步電機，電網(wǎng)與四象限整流器連接，四象限整流器直流側(cè)與變頻器直流側(cè)相連，變頻器的輸出端控制連接異步電機的定子；所述的雙饋電機系統(tǒng)包括雙饋電機、背靠背變流器、隔離變壓器、并網(wǎng)接觸器，背靠背變流器包括有網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器，網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)與機側(cè)變流器相連，網(wǎng)側(cè)變流器通過隔離變壓器接入電壓跌落裝置，機側(cè)變流器連接雙饋電機的轉(zhuǎn)子，雙饋電機的定子通過并網(wǎng)接觸器接入電壓跌落裝置，電壓跌落裝置接入電網(wǎng)；所述的異步電機與雙饋電機之間通過聯(lián)軸器連接，所述的風機模擬器分別與變頻器、機側(cè)變流器進行通信連接。所述的電壓跌落裝置包括有接觸器、隔離變壓器、調(diào)壓器。
所述的異步電機系統(tǒng)還包括有光電編碼器，光電編碼器與異步電機的轉(zhuǎn)軸相連，光電編碼器還與風機模擬器相連。所述的風機模擬器通過RS485總線與變頻器進行通訊，通過CAN總線與機側(cè)變流器進行通訊。所述的風機模擬器包括有信號檢測單元與DSP單元，DSP單元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。風力發(fā)電模擬平臺的模擬方法，其特征在于，具體步驟如下I)異步電機模擬風機，雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法(I)啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器；
(2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動；(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下；(4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)，同時變頻器切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器切換為轉(zhuǎn)速控制；(5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，跟蹤風機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩/功率特性曲線，通過485總線下發(fā)指令給變頻器，控制異步電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電；2)雙饋電機模擬風機，異步電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法(I)啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器；(2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動；(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下；(4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)；(5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，計算模擬轉(zhuǎn)矩，通過CAN總線下發(fā)指令給雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，控制雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動異步電機并網(wǎng)發(fā)電；3)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩對拖運行模式的模擬方法，運行過程如下(I)啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器；(2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動；(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)控制器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下；(4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)；(5)啟動風機模擬器，檢測獲得轉(zhuǎn)速、機械轉(zhuǎn)矩信息；通過風機模擬算法，計算模擬轉(zhuǎn)矩，通過RS485總線下發(fā)指令給變頻器，變頻器切換為轉(zhuǎn)矩輸出方式模擬風機運行；通過CAN總線下發(fā)功率曲線指令給雙饋電機機側(cè)變流器，控制雙饋電機按照功率曲線加載；(6)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，系統(tǒng)按照實際風電場運行狀態(tài)向電網(wǎng)輸送電能。
本發(fā)明的模擬平臺采用異步機-雙饋電機對拖模式，兩臺電機控制器均采用四象限運行的整流-逆變系統(tǒng)，兩臺電機均可風別運行于發(fā)電、電動模式，達到一個實驗平臺模擬兩種不同發(fā)電機型的目的。在雙饋電機發(fā)電模式，風機模擬器下發(fā)指令給變頻器，控制異步電機模擬風機；在異步電機發(fā)電模式，風機模擬器下發(fā)指令給機側(cè)變流器，控制雙饋電機模擬風機。本發(fā)明在模擬風機氣動特性上，引入引起并網(wǎng)功率脈動的風剪、塔影效應(yīng)，對風電中存在的并網(wǎng)功率波動進行了模擬。采用轉(zhuǎn)矩動態(tài)補償?shù)哪M方式，對機組的大慣量特性和傳動軸系柔性進行了模擬，實現(xiàn)了在小慣性電機上體現(xiàn)了大型風機的大慣量特征；實現(xiàn)了在無齒輪箱的剛性傳軸系上反映柔性軸系特點。采用轉(zhuǎn)矩動態(tài)補償?shù)目刂品绞剑瑒恿C模擬風機，發(fā)電機跟蹤功率曲線，模擬平臺可風別運行于轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩三種模式上，模擬平臺符合實際風電機組的運行方式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)勢和有效益果
I、本發(fā)明可以模擬風剪、塔影效應(yīng)、湍流效應(yīng)引起的并網(wǎng)功率波動，為研究風電并網(wǎng)電能質(zhì)量提供了平臺。2、本發(fā)明可模擬大型風機具有的大慣量特性，可模擬風機的傳動軸的柔性，省略了齒輪箱，可實現(xiàn)對不同功率等級風機的功率、機械特性雙模擬。3、本發(fā)明的電機控制器均采有四象限運行背靠背變流器，可實現(xiàn)雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電或異步電機并網(wǎng)發(fā)電，達到了一個模擬平臺模擬兩種不同并網(wǎng)發(fā)電機機型的目的，平臺具有通用性、擴展性。4、本發(fā)明的電網(wǎng)處接入了電壓跌落裝置，可模擬電網(wǎng)的跌落和驟升，為研究風電的低電壓穿越(LVRT)和高電壓穿越(HVRT)提供了平臺。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明中雙饋電機控制結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明中電壓跌落裝置結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明傳動軸的等效模型示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。風力發(fā)電模擬平臺，包括有風機模擬器I、異步電機系統(tǒng)、雙饋電機系統(tǒng)、電壓跌落裝置2、聯(lián)軸器3，異步機系統(tǒng)包括四象限整流器4、變頻器5、異步電機6，電網(wǎng)與四象限整流器4連接，四象限整流器4直流側(cè)與變頻器5直流側(cè)相連，變頻器5的輸出端控制連接異步電機6的定子；雙饋電機系統(tǒng)包括雙饋電機7、背靠背變流器8、隔離變壓器9、并網(wǎng)接觸器10，背靠背變流器8包括有網(wǎng)側(cè)變流器8-1和機側(cè)變流器8-2，網(wǎng)側(cè)變流器8-1直流側(cè)與機側(cè)變流器8-2相連，網(wǎng)側(cè)變流器8-1通過隔離變壓器9接入電壓跌落裝置2，機側(cè)變流器8-2連接雙饋電機7的轉(zhuǎn)子，雙饋電機7的定子通過并網(wǎng)接觸器10接入電壓跌落裝置2，電壓跌落裝置2接入電網(wǎng)；異步電機6與雙饋電機7之間通過聯(lián)軸器3連接，風機模擬器I分別與變頻器5、機側(cè)變流器8-2進行通信連接。
電壓跌落裝置2包括有接觸器、隔離變壓器、調(diào)壓器。異步電機系統(tǒng)還包括有光電編碼器，光電編碼器與異步電機的轉(zhuǎn)軸相連，光電編碼器還與風機模擬器相連。風機模擬器I通過RS485總線與變頻器5進行通訊，通過CAN總線與機側(cè)變流器8-2進行通訊。風機模擬器I包括有信號檢測單元與DSP單元，DSP單元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。風力發(fā)電模擬平臺的模擬方法，具體步驟如下I)異步電機模擬風機，雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法 (I)啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器；(2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動；(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下；(4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)，同時變頻器切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器切換為轉(zhuǎn)速控制；(5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，跟蹤風機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩/功率特性曲線，通過485總線下發(fā)指令給變頻器，控制異步電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電；2)雙饋電機模擬風機，異步電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法(I)啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器；(2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動；(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下；(4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)；(5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，計算模擬轉(zhuǎn)矩，通過CAN總線下發(fā)指令給雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，控制雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動異步電機并網(wǎng)發(fā)電；I)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩對拖運行模式的模擬方法上述兩種運行模式均為轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行方式，對拖電機其一運行于轉(zhuǎn)速控制下，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，防止飛車。而實際的大功率風電系統(tǒng)中，上位機檢測實時轉(zhuǎn)速，按照轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線生成轉(zhuǎn)矩控制指令，控制發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電，這其實是一種轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩平衡對拖模式?，F(xiàn)有的風機模擬系統(tǒng)與實際風電系統(tǒng)的運行差異主要原因為實際風電系統(tǒng)的機械慣量很大(包含槳葉、輪轂、傳動軸)，而實驗室條件下的模擬用電機的轉(zhuǎn)動慣量較小。如直接運行于轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩對拖模式，轉(zhuǎn)速波動大，極易造成電機飛車事故。故現(xiàn)有的風機模擬器大多運行在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制模式下。本模擬系統(tǒng)采用慣量補償?shù)目刂品桨?，使風機模擬系統(tǒng)運行于轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩平衡對拖模式，使得風機模擬系統(tǒng)更加接近于實際發(fā)電系統(tǒng)、更真實反映實際系統(tǒng)的特性。
轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩對拖模式下風機模擬器輸出轉(zhuǎn)矩信號為
權(quán)利要求
1.ー種風カ發(fā)電模擬平臺，其特征在于包括有風機模擬器、異步電機系統(tǒng)、雙饋電機系統(tǒng)、電壓跌落裝置、聯(lián)軸器，所述的異步機系統(tǒng)包括四象限整流器、變頻器、異步電機，電網(wǎng)與四象限整流器連接，四象限整流器直流側(cè)與變頻器直流側(cè)相連，變頻器的輸出端控制連接異步電機的定子；所述的雙饋電機系統(tǒng)包括雙饋電機、背靠背變流器、隔離變壓器、并網(wǎng)接觸器，背靠背變流器包括有網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器，網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)與機側(cè)變流器相連，網(wǎng)側(cè)變流器通過隔離變壓器接入電壓跌落裝置，機側(cè)變流器連接雙饋電機的轉(zhuǎn)子，雙饋電機的定子通過并網(wǎng)接觸器接入電壓跌落裝置，電壓跌落裝置接入電網(wǎng)；所述的異步電機與雙饋電機之間通過聯(lián)軸器連接，所述的風機模擬器分別與變頻器、機側(cè)變流器進行通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風カ發(fā)電模擬平臺，其特征在于所述的電壓跌落裝置包括有接觸器、隔離變壓器、調(diào)壓器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風カ發(fā)電模擬平臺，其特征在于所述的異步電機系統(tǒng)還包括有光電編碼器，光電編碼器與異步電機的轉(zhuǎn)軸相連，光電編碼器還與風機模擬器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風カ發(fā)電模擬平臺，其特征在于所述的風機模擬器通過RS485總線與變頻器進行通訊，通過CAN總線與機側(cè)變流器進行通訊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風カ發(fā)電模擬平臺，其特征在于所述的風機模擬器包括有信號檢測單元與DSP單元，DSP單元采用TI公司的TMS320F28335FGPA。
6.一種風カ發(fā)電模擬平臺的模擬方法，其特征在于，具體步驟如下 1)異步電機模擬風機，雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法 (O啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器； (2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動； (3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下； (4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)，同時變頻器切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器切換為轉(zhuǎn)速控制； (5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，跟蹤風機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩/功率特性曲線，通過485總線下發(fā)指令給變頻器，控制異步電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電； 2)雙饋電機模擬風機，異步電機并網(wǎng)發(fā)電模式的模擬方法 (O啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)整流器； (2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動； (3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下； (4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)； (5)啟動風機模擬器，通過風機模擬算法，計算模擬轉(zhuǎn)矩，通過CAN總線下發(fā)指令給雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)變流器，控制雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制方式模擬風機，拖動異步電機并網(wǎng)發(fā)電；3)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩對拖運行模式的模擬方法，運行過程如下 (O啟動異步電機系統(tǒng)的四象限整流器及雙饋電機系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器； (2)在四象限整流器穩(wěn)定運行后，啟動變頻器運行于轉(zhuǎn)速控制模式(VF模式)，拖動雙饋電機轉(zhuǎn)動； (3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到達1450轉(zhuǎn)/分左右時，啟動雙饋電機系統(tǒng)的機側(cè)控制器，使雙饋電機運行于轉(zhuǎn)矩控制下； (4)待雙饋電機的定子電壓達到并網(wǎng)條件時，控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)； (5)啟動風機模擬器，檢測獲得轉(zhuǎn)速、機械轉(zhuǎn)矩信息；通過風機模擬算法，計算模擬轉(zhuǎn)矩，通過RS485總線下發(fā)指令給變頻器，變頻器切換為轉(zhuǎn)矩輸出方式模擬風機運行；通過CAN總線下發(fā)功率曲線指令給雙饋電機機側(cè)變流器，控制雙饋電機按照功率曲線加載； (6)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，系統(tǒng)按照實際風電場運行狀態(tài)向電網(wǎng)輸送電能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風力發(fā)電模擬平臺及其模擬方法，包括有風機模擬器、異步電機系統(tǒng)、雙饋電機系統(tǒng)、電壓跌落裝置、聯(lián)軸器。本發(fā)明通過軟件模擬風電機組特性，控制電機輸出功率，達到模擬實際風電系統(tǒng)的目的。本發(fā)明中的電機控制器采用四象限運行的整流-逆變技術(shù)，兩臺電機均可風別運行于發(fā)電、電動模式，達到一個實驗平臺模擬兩種不同發(fā)電機型的目的，平臺具有通用性和擴展性。本發(fā)明可對現(xiàn)在風電中的電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電網(wǎng)適應(yīng)性等重難點問題提供硬件研究支持。
文檔編號G01R31/34GK102680895SQ201210174298
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者劉淳, 劉芳, 盧磊, 張興, 楊淑英, 謝震 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)