一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊的內(nèi)置LABVIEW軟件，實現(xiàn)人機交互、風機控制、參數(shù)設置、信息查閱；PLC主控系統(tǒng)模塊接收系統(tǒng)模塊的信息并控制系統(tǒng)模塊的工作；偏航變槳系統(tǒng)模塊，用于偏航控制、槳距調(diào)節(jié)、槳角采集、異常保護；風力機發(fā)電系統(tǒng)模擬模塊，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制；變流系統(tǒng)模塊，用于電力變換、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)；檢測系統(tǒng)模塊，用于數(shù)字量采集和模擬量采集；安全保護系統(tǒng)模塊，用于實現(xiàn)機組的強風保護、參數(shù)越限保護、電壓電流保護、啟動與關機保護，緊急停機保護；觸摸屏模塊，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯示。此外，本發(fā)明操作方便，提供了性能優(yōu)良的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)。
【專利說明】—種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源研究【技術(shù)領域】，尤其涉及一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]當前主流的風力發(fā)電系統(tǒng)包括:變速恒頻直驅(qū)型永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻雙饋感應(DFIG)風力發(fā)電系統(tǒng)，DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)采用I / 3部分功率電力電子接口，成本較低、體積較小，目前應用最為廣泛；直驅(qū)型永磁風力發(fā)電系統(tǒng)采用全功率電力電子接口、無需變速箱、運行范圍寬以及效率較高等優(yōu)點，發(fā)展迅速，應用較廣，是近海大型風電機組的發(fā)展趨勢。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷:如DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)采效率略低且需要變速箱、維護成本聞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存在的DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)效率低、維護成本高的問題。
[0005]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，所述風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)包括:網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、PLC主控系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機模擬系統(tǒng)模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊；
[0006]網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊，內(nèi)置LABVIEW軟件，用于實現(xiàn)人機交互、風機控制、參數(shù)設置、查閱信息；
[0007]PLC主控系統(tǒng)模塊，與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機模擬系統(tǒng)模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊連接，用于接收系統(tǒng)模塊的信息并控制系統(tǒng)模塊的工作，有數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，風機正常工作邏輯控制、故障診斷及保護；
[0008]偏航變槳系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于偏航控制、槳距調(diào)節(jié)、槳角采集、異常保護；
[0009]風力機模擬系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制；
[0010]變流系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于電力變換、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)；
[0011 ] 檢測系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于數(shù)字量采集和模擬量采集，檢測風速、風向、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩信號以及變流器直流母線的電壓、電流，變流器所有與網(wǎng)側(cè)相連的三相電壓和三相電流；
[0012]安全保護系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于實現(xiàn)機組的強風保護、參數(shù)越限保護、電壓電流保護、啟動與關機保護，緊急停機保護；[0013]觸摸屏模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯示。
[0014]進一步、所述偏航變槳系統(tǒng)模塊還包括:風輪模擬系統(tǒng)、變槳閉環(huán)控制、PLC、偏航閉環(huán)控制；
[0015]風輪模擬系統(tǒng)，與變槳閉環(huán)控制、Simens S7-226PLC、偏航閉環(huán)控制連接，用于使用電風扇轉(zhuǎn)動吹風來模擬實際風場風速和模擬實際槳葉的偏航和變漿運動；
[0016]PLC，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于進行閉環(huán)控制運算和定位；
[0017]變漿閉環(huán)控制，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際漿距角β進行比較，實現(xiàn)變漿的目的；
[0018]偏航閉環(huán)控制，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，向所述風輪模擬系統(tǒng)發(fā)送信號，用于根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角α *,與實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較，實現(xiàn)偏航的目的。
[0019]進一步、所述PLC，還包括:
[0020]用于與主控制器S7-317PLC進行通信的RS485通信接口、用于進行閉環(huán)控制算法計算的中央處理器CPU模塊；
[0021]用于進行變漿閉環(huán)控制的I號定位模塊；
[0022]用于進行偏航閉環(huán)控制的2號定位模塊。
[0023]進一步、所述變漿閉環(huán)控制具體操作為:
[0024]第一步、根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際的位置信號1，即實際漿距角β進行比較；
[0025]第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)I號定位模塊發(fā)出脈沖信號；
[0026]第三步、經(jīng)I號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機I帶動槳葉作水平圓周運動，實現(xiàn)變漿的目的。
[0027]進一步、所述偏航閉環(huán)控制具體操作為:
[0028]第一步、根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角α *,與實際的位置信號2，即實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較；
[0029]第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)2號定位模塊發(fā)出脈沖信號；
[0030]第三步、經(jīng)2號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機2帶動電動轉(zhuǎn)臺作水平圓周運動，實現(xiàn)偏航的目的。
[0031]進一步、所述變流系統(tǒng)模塊還包括:電子開關柔性負載、DSP處理器、FPGA模塊、光率禹隔尚驅(qū)動電路，主電路；
[0032]電子開關柔性負載，可以是對稱的、不對稱的、線性、非線性的感性、容性負載；
[0033]DSP處理器，用于提供電流傳感器檢測負載的三相電流ia、ib和i。，電壓傳感器檢測三相電壓ea、eb和e。，經(jīng)過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號，經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)矢量電流PI控制算法的計算可以得到調(diào)制度m ；
[0034]FPGA模塊，與光耦隔離驅(qū)動電路連接，傳遞PWM觸發(fā)信號給光耦隔離驅(qū)動電路，通過SPI總線接收DSP處理器計算最終的結(jié)果m、鎖相環(huán)相位角Θ和鎖相頻率fnrt，采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法形成6路帶有死區(qū)的PWM觸發(fā)信號；
[0035]光耦隔離驅(qū)動電路，與所述FPGA模塊連接，接收傳遞PWM觸發(fā)信號，用于將所述FPGA模塊輸出的PWM信號經(jīng)過放大，隔離，形成具有真正驅(qū)動能力的驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變器主電路的各個功率開關管工作；
[0036]主電路，與所述光耦隔離驅(qū)動電路連接，接收光耦隔離驅(qū)動電路驅(qū)動信號，由直流穩(wěn)壓電源給6個功率開關管供電。
[0037]本發(fā)明提供的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊的內(nèi)置LABVIEff軟件，實現(xiàn)人機交互、風機控制、參數(shù)設置、查閱信息；PLC主控系統(tǒng)模塊接收系統(tǒng)模塊的信息并控制系統(tǒng)模塊的工作；偏航變槳系統(tǒng)模塊，用于偏航控制、槳距調(diào)節(jié)、槳角采集、異常保護；風力機模擬系統(tǒng)模塊，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制；變流系統(tǒng)模塊，用于電力變換、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)；檢測系統(tǒng)模塊，用于數(shù)字量采集和模擬量采集；安全保護系統(tǒng)模塊，用于實現(xiàn)機組的強風保護、參數(shù)越限保護、電壓電流保護、啟動與關機保護，緊急停機保護；觸摸屏模塊，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯示。此外，本發(fā)明操作方便，提供了性能優(yōu)良的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明實施例提供的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0039]圖中:1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊；2、PLC主控系統(tǒng)模塊；3、偏航變槳系統(tǒng)模塊；4、風力機模擬系統(tǒng)模塊；5、變流系統(tǒng)模塊；6、檢測系統(tǒng)模塊；7、安全保護系統(tǒng)模塊；8、觸摸屏系統(tǒng)模塊；
[0040]圖2是本發(fā)明實施例提供的偏航變漿系統(tǒng)模塊示意圖；
[0041]圖中:3_1、風輪模擬系統(tǒng)；3_2、變槳閉環(huán)控制；3_3、PLC ;3_4、偏航閉環(huán)控制；
[0042]圖3是本發(fā)明實施例提供的風力機模擬系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖4是本發(fā)明實施例提供的變流系統(tǒng)模塊核心硬件變流器單元結(jié)構(gòu)框圖；
[0044]圖中:5-1、電子開關柔性負載；5_2、DSP處理器；5_3、FPGA模塊；5_4、光耦隔離驅(qū)動電路；5-5、主電路。
【具體實施方式】
[0045]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0046]圖1示出了本發(fā)明提供的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了便于說明，僅僅不出了與本發(fā)明相關的部分。
[0047]本發(fā)明的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，該風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)包括:網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、PLC主控系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機模擬系統(tǒng)模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊；
[0048]網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊，內(nèi)置LABVIEW軟件，用于實現(xiàn)人機交互、風機控制、參數(shù)設置、
查閱信息；
[0049]PLC主控系統(tǒng)模塊，與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機模擬系統(tǒng)模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊連接，用于接收系統(tǒng)模塊的信息并控制系統(tǒng)模塊的工作，有數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，風機正常工作邏輯控制、故障診斷及保護；
[0050]偏航變槳系統(tǒng)模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于偏航控制、槳距調(diào)節(jié)、槳角采集、異常保護；
[0051 ] 風力機模擬系統(tǒng)模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制；
[0052]變流系統(tǒng)模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于電力變換、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)；
[0053]檢測系統(tǒng)模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于數(shù)字量采集和模擬量采集，檢測風速、風向、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩信號以及變流器直流母線的電壓、電流，變流器所有與網(wǎng)側(cè)相連的三相電壓和三相電流；
[0054]安全保護系統(tǒng)模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于實現(xiàn)機組的強風保護、參數(shù)越限保護、電壓電流保護、啟動與關機保護，緊急停機保護；
[0055]觸摸屏模塊，與PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯示。
[0056]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，偏航變槳系統(tǒng)模塊還包括:風輪模擬系統(tǒng)、變槳閉環(huán)控制、PLC、偏航閉環(huán)控制；
[0057]風輪模擬系統(tǒng)，與變槳閉環(huán)控制、PLC、偏航閉環(huán)控制連接，用于使用電風扇轉(zhuǎn)動吹風來模擬實際風場風速和模擬實際槳葉的偏航和變漿運動；
[0058]PLC，與風輪模擬系統(tǒng)連接，接收風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于進行閉環(huán)控制運算和定位；
[0059]變漿閉環(huán)控制，與風輪模擬系統(tǒng)連接，接收風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際漿距角β進行比較，實現(xiàn)變漿的目的；
[0060]偏航閉環(huán)控制，與風輪模擬系統(tǒng)連接，接收風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，向風輪模擬系統(tǒng)發(fā)送信號，用于根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角與實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較，實現(xiàn)偏航的目的。
[0061]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，PLC，還包括:
[0062]用于與主控制器S7-317PLC進行通信的RS485通信接口、用于進行閉環(huán)控制算法計算的中央處理器CPU模塊；
[0063]用于進行變漿閉環(huán)控制的I號定位模塊；
[0064]用于進行偏航閉環(huán)控制的2號定位模塊。
[0065]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，變漿閉環(huán)控制具體操作為:
[0066]第一步、根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際的位置信號1，即實際漿距角β進行比較；
[0067]第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)I號定位模塊發(fā)出脈沖信號；
[0068]第三步、經(jīng)I號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機I帶動槳葉作水平圓周運動，實現(xiàn)變漿的目的。[0069]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，偏航閉環(huán)控制具體操作為:
[0070]第一步、根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角α *,與實際的位置信號2，即實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較；
[0071]第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)2號定位模塊發(fā)出脈沖信號；
[0072]第三步、經(jīng)2號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機2帶動電動轉(zhuǎn)臺作水平圓周運動，實現(xiàn)偏航的目的。
[0073]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，變流系統(tǒng)模塊還包括:電子開關柔性負載、DSP處理器、FPGA模塊、光耦隔離驅(qū)動電路，主電路；
[0074]電子開關柔性負載，可以是對稱的、不對稱的、線性、非線性的感性、容性負載；
[0075]DSP處理器，用于提供電流傳感器檢測負載的三相電流ia、ib和i。，電壓傳感器檢測三相電壓ea、eb和e。，經(jīng)過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號，經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)矢量電流PI控制算法的計算可以得到調(diào)制度m ；
[0076]FPGA模塊，與光耦隔離驅(qū)動電路連接，傳遞PWM觸發(fā)信號給光耦隔離驅(qū)動電路，通過SPI總線接收DSP處理器計算最終的結(jié)果m、鎖相環(huán)相位角Θ和鎖相頻率fnrt，采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法形成6路帶有死區(qū)的PWM觸發(fā)信號；
[0077]光耦隔離驅(qū)動電路，與FPGA模塊連接，接收傳遞PWM觸發(fā)信號，用于將FPGA模塊輸出的PWM信號經(jīng)過放大，隔離，形成具有真正驅(qū)動能力的驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變器主電路的各個功率開關管工作；
[0078]主電路，與光耦隔離驅(qū)動電路連接，接收光耦隔離驅(qū)動電路驅(qū)動信號，由直流穩(wěn)壓電源給6個功率開關管供電。
[0079]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0080]如圖1所示，本發(fā)明的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊1、PLC主控系統(tǒng)模塊2、偏航變漿系統(tǒng)模塊3、風力機模擬系統(tǒng)模塊4、變流系統(tǒng)模塊5、檢測系統(tǒng)模塊6、安全保護系統(tǒng)模塊7及觸摸屏模塊8八大部分；
[0081]網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊I連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，內(nèi)置LABVIEW軟件，起到人機交互的功能，包括風機控制，參數(shù)設置，查閱信息等；
[0082]PLC主控系統(tǒng)模塊2連接所有模塊，接收信息并控制其工作，主要有數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，風機正常工作邏輯控制，故障診斷及保護等；
[0083]觸摸屏模塊8連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯示；
[0084]偏航變槳系統(tǒng)模塊3主要包括風輪模擬系統(tǒng)3-l、PLC3-2、變漿閉環(huán)控制3_3和偏航閉環(huán)控制3-4四個部分，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于偏航控制，槳距調(diào)節(jié)，槳角采集和異常保護；
[0085]風輪模擬系統(tǒng)3-1用電風扇轉(zhuǎn)動吹風來模擬實際風場風速，自制的小型風標上安裝有風速傳感器和風向傳感器，分別測得電風扇所產(chǎn)生風的風速和風向；為模擬實際槳葉的偏航和變漿運動，特采用如圖2所示的轉(zhuǎn)動平臺的水平圓周運動來模擬偏航運動，位于轉(zhuǎn)動平臺中心的槳葉的水平圓周運動來模擬實際的變漿運動，實驗效果表現(xiàn)為:當電風扇搖頭時，轉(zhuǎn)動平臺始終保持與電風扇同步搖頭；當電風扇風速檔位由一檔依次調(diào)到三檔(設定風扇一檔為低速，三檔為高速)時，槳葉逐漸偏離最初的迎風面積最大的方向；
[0086]PLC3-2包括用于與主控制器S7-317PLC進行通信的RS485通信接口、用于進行閉環(huán)控制算法計算的中央處理器CPU226模塊、用于進行變漿閉環(huán)控制的I號EM253定位模塊、用于進行偏航閉環(huán)控制的2號EM253定位模塊；
[0087]變漿閉環(huán)控制3-3，首先根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角β *,與實際的位置信號1，即實際漿距角β進行比較，進行閉環(huán)控制后經(jīng)I號定位模塊發(fā)出脈沖信號，最后經(jīng)I號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機I帶動槳葉作水平圓周運動，實現(xiàn)變漿的目的；
[0088]偏航閉環(huán)控制3-4，首先根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角α *,與實際的位置信號2，即實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較，進行閉環(huán)控制后經(jīng)2號定位模塊發(fā)出脈沖信號，最后經(jīng)2號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機2帶動電動轉(zhuǎn)臺作水平圓周運動，實現(xiàn)偏航的目的；
[0089]風力機模擬系統(tǒng)模塊4連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制；
[0090]如圖3所示，變流系統(tǒng)模塊5主要由電子開關柔性負載5-l、DSP處理器5_2、FPGA模塊5-3、光耦隔離驅(qū)動電路5-4，主電路5-5組成，連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于電力變換，功率控制，轉(zhuǎn)矩控制，功率因數(shù)調(diào)節(jié)；
[0091]電子開關柔性負載5-1，可以是對稱的或不對稱的、線性或非線性的感性、容性負載；
[0092]DSP處理器5-2中，電流傳感器檢測負載的三相電流ia、ib和i。，電壓傳感器檢測三相電壓ea、eb和e。，經(jīng)過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號，將電壓傳感器直流側(cè)穩(wěn)壓電容的電壓Ud。送入直流電壓調(diào)節(jié)器與指令電壓Uref比較產(chǎn)生有功電流id*，三相電流ia、ib和經(jīng)過PARK變換得到實際的有功電流成分id和無功電流成分i,，id*、i,*、id和i,經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)矢量電流PI控制算法的計算可以得到調(diào)制度m ；
[0093]FPGA模塊5-3中，F(xiàn)PGA模塊5_3通過SPI總線接收DSP處理器計算最終的結(jié)果m、鎖相環(huán)相位角Θ和鎖相頻率fnrt，采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法形成6路帶有死區(qū)的PWM觸發(fā)信號傳給光耦隔離驅(qū)動電路；
[0094]光耦隔離驅(qū)動電路5-4中，光耦隔離驅(qū)動電路將FPGA輸出的PWM信號經(jīng)過放大，隔離，形成具有真正驅(qū)動能力的驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變器主電路的各個功率開關管工作；
[0095]主電路5-5中，由直流穩(wěn)壓電源給6個功率開關管供電，受光耦隔離驅(qū)動電路驅(qū)動信號控制工作；
[0096]檢測系統(tǒng)模塊6連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于數(shù)字量采集和模擬量采集，檢測風速、風向、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩信號以及變流器直流母線的電壓、電流，變流器所有與網(wǎng)側(cè)相連的三相電壓和三相電流；
[0097]安全保護系統(tǒng)模塊7連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，用于實現(xiàn)機組的強風保護，參數(shù)越限保護，電壓電流保護，啟動與關機保護，緊急停機保護。
[0098]本發(fā)明構(gòu)建基于現(xiàn)有的變速恒頻直驅(qū)型永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻雙饋感應(DFIG)風力發(fā)電系統(tǒng)兩種主流風力發(fā)電技術(shù)的實驗平臺，第一步，構(gòu)建變速恒頻直驅(qū)型永磁同步電機風力并網(wǎng)發(fā)電動態(tài)模擬平臺，將能夠提供完整的直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模擬實驗條件，能滿足相關教學和科研的要求，第二步，構(gòu)建變速恒頻雙饋感應風力并網(wǎng)發(fā)電動態(tài)模擬平臺，將能夠提供完整的雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模擬實驗條件，滿足相關教學和科研的要求；
[0099]網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊I在LABVIEW開發(fā)環(huán)境下開發(fā)包含基于風速模型的風能模擬以及風輪模擬等，幫助師生掌握和開發(fā)包括風能特性以及風機基本工作原理，具有可視化、模型可選、參數(shù)可調(diào)等特點，可開展變槳控制、偏航控制等上機實驗，任意時刻實際風力發(fā)電動態(tài)模擬硬件平臺只響應一臺計算機的控制命令，可同時用于多人次(一人一臺計算機)的研究工作；
[0100]主控系統(tǒng)模塊2采用西門子的S7-317PLC，系統(tǒng)軟件用程序模塊化結(jié)構(gòu)設計，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時調(diào)用實現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對主程序進行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設計通用性強，并具有全面的保護功能和一定的智能性；人機界面友好、方便操作；
[0101]風力機模擬系統(tǒng)模塊4采用交流機模擬方案，基于交流電機的動態(tài)風機模擬系統(tǒng)主要由變頻器和異步電動機組成，如圖3所示；
[0102]變頻器通過串行通信接收來自PLC的轉(zhuǎn)速指令驅(qū)動異步電機轉(zhuǎn)動，從而拖動永磁同步發(fā)電機空載或并網(wǎng)發(fā)電運行；
[0103]風力機轉(zhuǎn)速計算模型采集風速信號(亦可以產(chǎn)生風速)，從光電編碼盤獲得電機轉(zhuǎn)速與位置信息，經(jīng)過相應的風機模擬器程序運算將給定電磁轉(zhuǎn)矩指令輸給矢量變頻器，變頻器通過控制輸出定子電壓控制異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，使得異步電動機能夠為發(fā)電機提供類似于實際風機特性的機械轉(zhuǎn)矩；
[0104]原動機部分主要由三部分組成，一臺2對極，額定轉(zhuǎn)速為1500r / min，額定功率為5.5kff的籠型異步電動機；一塊與變頻器模擬信號給定相連的接口電路，其主要完成模擬系統(tǒng)控制器脈沖輸出轉(zhuǎn)矩信號的整形濾波與相關計算；
[0105]變頻器按照給定轉(zhuǎn)速進行電動機的轉(zhuǎn)矩控制；
[0106]特在變流系統(tǒng)模塊5所有與網(wǎng)側(cè)相連的地方另外加裝兩個PT單元用于測量線電壓Uab和ua。，三個CT單元用于測量相電流ia、ib和i。，用以為實驗以后進一步擴展繼電保護等實驗平臺提供足夠的測量點。
[0107]本發(fā)明的工作原理為:用戶通過觸摸屏模塊8手動輸入命令，同時觸摸屏模塊8對信息進行實時顯示；網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊I連接PLC主控系統(tǒng)模塊2，通過內(nèi)置的LABVIEW軟件開發(fā)包含基于風速模型的風能模擬以及風輪模型并進行人機交互，包括風機控制，參數(shù)設置，查閱信息等，幫助師生掌握和開發(fā)包括風能特性以及風機基本工作原理；PLC主控系統(tǒng)模塊2接收各模塊信息并控制后續(xù)模塊完成對應的工作:偏航變槳系統(tǒng)模塊3用于實現(xiàn)偏航控制，槳距調(diào)節(jié)，槳角采集和異常保護，風力機模擬系統(tǒng)模塊4用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制，變流系統(tǒng)模塊5用于電力變換，功率控制，轉(zhuǎn)矩控制，功率因數(shù)調(diào)節(jié)；檢測系統(tǒng)模塊6用于數(shù)字量采集和模擬量采集，檢測風速、風向、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩信號以及變流器直流母線的電壓、電流，變流器所有與網(wǎng)側(cè)相連的三相電壓和三相電流；安全保護系統(tǒng)模塊7用于實現(xiàn)機組的強風保護，參數(shù)越限保護，電壓電流保護，啟動與關機保護，緊急停機保護。
[0108]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)包括:網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、PLC主控系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機系統(tǒng)模擬模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊； 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊，用于實現(xiàn)人機交互、風機控制、參數(shù)設置、查閱信息；PLC主控系統(tǒng)模塊，與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模塊、偏航變漿系統(tǒng)模塊、風力機模擬系統(tǒng)模塊、變流系統(tǒng)模塊、檢測系統(tǒng)模塊、安全保護系統(tǒng)模塊、觸摸屏模塊連接，用于接收系統(tǒng)模塊的信息并控制系統(tǒng)模塊的工作，有數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，風機正常工作邏輯控制、故障診斷及保護；偏航變槳系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于偏航控制、槳距調(diào)節(jié)、槳角采集、異常保護； 風力機模擬系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于風速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制； 變流系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于電力變換、功率控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)； 檢測系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于數(shù)字量采集和模擬量采集，檢測風速、風向、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩信號以及變流器直流母線的電壓、電流，變流器所有與網(wǎng)側(cè)相連的三相電壓和三相電流； 安全保護系統(tǒng)模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于實現(xiàn)機組的強風保護、參數(shù)越限保護、電壓電流保護、啟動與關機保護，緊急停機保護； 觸摸屏模塊，與所述PLC主控系統(tǒng)模塊連接，接收所述PLC主控系統(tǒng)模塊的控制信號，用于用戶手動輸入命令與信息實時顯不。
2.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述偏航變槳系統(tǒng)模塊還包括:風輪模擬系統(tǒng)、變槳閉環(huán)控制、PLC、偏航閉環(huán)控制； 風輪模擬系統(tǒng)，與變槳閉環(huán)控制、PLC、偏航閉環(huán)控制連接，用于使用電風扇轉(zhuǎn)動吹風來模擬實際風場風速和模擬實際槳葉的偏航和變漿運動； PLC，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于進行閉環(huán)控制運算和定位； 變漿閉環(huán)控制，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，用于根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際漿距角β進行比較，實現(xiàn)變漿的目的； 偏航閉環(huán)控制，與所述風輪模擬系統(tǒng)連接，接收所述風輪模擬系統(tǒng)連接的模擬信號，向所述風輪模擬系統(tǒng)發(fā)送信號，用于根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角與實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較，實現(xiàn)偏航的目的。
3.如權(quán)利要求2所述的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述PLC，還包括: 用于與主控制器S7-317PLC進行通信的RS485通信接口、用于進行閉環(huán)控制算法計算的中央處理器模塊； 用于進行變漿閉環(huán)控制的I號定位模塊； 用于進行偏航閉環(huán)控制的2號定位模塊。
4.如權(quán)利要求2所述的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述變漿閉環(huán)控制具體操作為: 第一步、根據(jù)測得的風速計算出當前的最佳漿距角與實際的位置信號1，即實際漿距角β進行比較； 第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)I號定位模塊發(fā)出脈沖信號； 第三步、經(jīng)I號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機I帶動槳葉作水平圓周運動，實現(xiàn)變槳的目的。
5.如權(quán)利要求2所述的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述偏航閉環(huán)控制具體操作為: 第一步、根據(jù)測得的風向計算出應跟蹤的方位角α *,與實際的位置信號2，即實際電動轉(zhuǎn)臺的方位角α進行比較； 第二步、進行閉環(huán)控制后經(jīng)2號定位模塊發(fā)出脈沖信號； 第三步、經(jīng)2號V80驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機2帶動電動轉(zhuǎn)臺作水平圓周運動，實現(xiàn)偏航的目的。
6.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述變流系統(tǒng)模塊還包括:電子開關柔性負載、DSP處理器、FPGA模塊、光耦隔離驅(qū)動電路，主電路； 電子開關柔性負載，可以是對稱的、不對稱的、線性、非線性的感性、容性負載； DSP處理器，用于提供電流傳感器檢測負`載的三相電流ia、ib和i。，電壓傳感器檢測三相電壓ea、eb和e。，經(jīng)過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號，經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)矢量電流PI控制算法的計算可以得到調(diào)制度m; FPGA模塊，與光耦隔離驅(qū)動電路連接，傳遞PWM觸發(fā)信號給光耦隔離驅(qū)動電路，通過SPI總線接收DSP處理器計算最終的結(jié)果m、鎖相環(huán)相位角Θ和鎖相頻率fnrt，采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法形成6路帶有死區(qū)的P麗觸發(fā)信號； 光耦隔離驅(qū)動電路，與所述FPGA模塊連接，接收傳遞PWM觸發(fā)信號，用于將所述FPGA模塊輸出的PWM信號經(jīng)過放大，隔離，形成具有真正驅(qū)動能力的驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變器主電路的各個功率開關管工作； 主電路，與所述光耦隔離驅(qū)動電路連接，接收光耦隔離驅(qū)動電路驅(qū)動信號，由直流穩(wěn)壓電源給6個功率開關管供電。
【文檔編號】G05B19/418GK103713598SQ201310722043
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】張廣明, 李俊, 嵇保健, 王德明 申請人:南京工業(yè)大學