專利名稱：一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于風力發(fā)電技術領域，尤其涉及一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)。
背景技術：
目前，在風力發(fā)電領域，廣泛使用大型直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)的核心設備為風力機、多級永磁發(fā)電機與全功率變頻設備，并通過風力機葉片變槳技術、發(fā)電機輸出整流逆變技術等實現(xiàn)機組的發(fā)電控制，而通過實驗開展對直驅式風力發(fā)電機組的研究工作是十分重要的。在目前已經(jīng)安裝的風力發(fā)電機組上直接進行實驗研究有許多缺點，首先由于風力發(fā)電場一般遠離研究中心、風電機組處于幾十米高度，實驗條件極為不便；另外機組系統(tǒng)復雜，變槳系統(tǒng)、偏航解纜系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)等環(huán)節(jié)較多且 相互影響，給獨立研究主要系統(tǒng)的控制問題帶來極大不便，且由于機組平時承擔著發(fā)電任務，對機組安全要求較高，機組的容量較大，實驗成本也較高，因此，頻繁的實驗工作是難以得到滿足的。目前的風力發(fā)電機組實驗系統(tǒng)多真對雙饋式風電機組，涉及直驅式風電機組的實驗研究系統(tǒng)很少，其中一種大型兆瓦級直驅式機組實驗系統(tǒng)采用大功率交流異步電機作為驅動，經(jīng)齒輪箱減速來模擬風力機系統(tǒng)，優(yōu)點是可以拖動實際大功率機組，完成整機相關實驗。但由于電機的機械特性與實際機組風力機特性不完全一致、齒輪箱機械傳動中存在間隙等問題，影響了實驗效果，因此，在實驗室環(huán)境下構建一種直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)，采用與實際風力機輸出特性一致的驅動裝置來模擬實際風力機特性，并配以相應的控制系統(tǒng)構成一套完整的模擬實驗系統(tǒng)，對開展直驅式風力發(fā)電機組運行特性及控制策略的研究工作是十分必要的。
發(fā)明內容針對上述背景技術中提到的現(xiàn)有風力發(fā)電機組實驗系統(tǒng)的機械特性和風力機特性模擬效果不好等不足，本實用新型提出了一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)。本實用新型的技術方案是，一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器、電網(wǎng)側變頻器、變頻控制器和主控制器；所述計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器順次連接；變頻控制器分別與主控制器、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器連接；主控制器和PLC控制器連接。所述多級永磁發(fā)電機為16級永磁發(fā)電機。所述變頻控制器采用TMS320F2812為核心的DSP數(shù)字信號處理器。所述主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式處理器。[0011]本實用新型采用功率為10千瓦的實驗系統(tǒng)實現(xiàn)對大型直驅式風力發(fā)電機組的模擬。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，沒有采用變頻調速器驅動普通異步電機的形式，而采用伺服電機與伺服控制器構成風力機物理模擬裝置，因伺服電機具有調速范圍較寬、線性的機械特性、相應快速的特點，可以滿足風力機從啟動到并網(wǎng)運行的寬范圍調速要求，并可保證模擬輸出轉矩與模擬風速成正比，使得模擬風力機與實際風力機特性更一致；本實用新型采用的伺服電機在低轉速(十幾轉/每分鐘)具有良好的轉矩轉速特性，因此沒有采用齒輪箱減速器，而采用伺服電機直接驅動方式(實際應用中，直驅式即指風力機直接驅動發(fā)電機)，優(yōu)點是消除了齒輪箱減速器多級傳動機構間隙所帶來的死區(qū)、滯后的影響，使實驗系統(tǒng)的模擬風力機特性更符合實際；本實用新型采用的多級永磁發(fā)電機為16級電機，使得與實際直驅發(fā)電機發(fā)電特 性更接近，克服了一般小型永磁電機極對數(shù)低，不能反映實際電機特性的問題。本實用新型采用Iabview軟件平臺在計算機中建立風速及風力機模型,可通過改變風力機模型中葉片角度(槳距角)來實現(xiàn)變槳距控制，為風力機控制策略研究提供了方便；本實用新型采用DSP嵌入式控制器作為變頻控制器，實現(xiàn)對發(fā)電機側變頻器與電網(wǎng)側變頻器控制，可以進行自主編程，為矢量控制等先進控制策略研究提供了方便；本實用新型采用ARM嵌入式控制器作為主控制器，實現(xiàn)風力機與發(fā)電機的協(xié)調控制，可以進行自主編程，為機組的整機優(yōu)化控制研究提供了方便。

圖I為本實用新型的原理圖；圖2為模擬風力機子系統(tǒng)原理圖；圖3為發(fā)電控制子系統(tǒng)原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的范圍及其應用。如圖I所示，永磁直驅風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)，包括計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器、電網(wǎng)側變頻器、變頻控制器和主控制器，計算機與PLC控制器連接，PLC控制器與伺服驅動器連接，伺服驅動器與伺服電動機連接，伺服電動機與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器與多級永磁發(fā)電機連接，多級永磁發(fā)電機與電機側變頻器連接，電機側變頻器與電網(wǎng)側變頻器連接，電網(wǎng)側變頻器與電網(wǎng)連接，變頻控制器與電機側變頻器及電網(wǎng)側變頻器連接，主控制器與變頻控制器及PLC控制器連接。其中，計算機、PLC控制器、伺服驅動器與伺服電動機構成了模擬風力機子系統(tǒng)；多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器、網(wǎng)側變頻器、變頻控制器構成了發(fā)電控制子系統(tǒng)。該實驗模擬系統(tǒng)在控制系統(tǒng)設計上采用了分層結構，PLC控制器與變頻控制器處于下層，PLC控制器用來實現(xiàn)對模擬風力機的控制，變頻控制器通過變頻器用來實現(xiàn)對發(fā)電的控制；以ARM為核心的主控制器處于上層，用來實現(xiàn)對永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)的協(xié)調控制，上下層之間采用CAN總線實現(xiàn)通信。本實用新型的模擬風力機子系統(tǒng)如圖2所示，三相380伏交流電源經(jīng)過兩級斷路器為子系統(tǒng)供電，其中兩相經(jīng)交直流轉換器轉換為直流24伏，分別為PLC控制器及伺服控制器供電。PLC控制器由PLC處理器模塊、串行伺服通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、開關量輸出模塊及電源模塊組成，工作時PLC控制器通過開關量輸出模塊使繼電器帶電，繼電器閉合觸點接通接觸器控制電源，接觸器閉合并將三相380伏交流電源送到伺服控制器。計算機中采用Iabview軟件編程建立了風速及風力機模型，根據(jù)模擬風速作用于模擬風力機產生模擬轉矩，將模擬轉矩信號通過以太網(wǎng)送給PLC處理器，PLC處理器經(jīng)串行伺服通信模塊將轉矩信號送給伺服控制器，伺服控制器根據(jù)轉矩信號控制伺服電動機輸出實際轉矩并驅動伺服電機轉動，同時，伺服電機拖動同軸連接的多級永磁發(fā)電機發(fā)電。編碼器將轉速信號接到伺服控制器，實驗中如果出現(xiàn)驅動轉矩與負載轉矩不平衡而發(fā)生超速時，可起到超速保護作用。扭矩傳感器用于測量伺服電動機的扭矩。該模擬風力機子系統(tǒng)也支持轉速運行模式，此時，伺服電動機輸出不再按轉矩控制，而是按轉速設定值將電機穩(wěn)定在某一轉速上運行。 本實用新型的發(fā)電控制子系統(tǒng)工作原理如圖3所示，電機側變頻器用來將多級永磁發(fā)電機輸出的交流電轉換為直流電。變頻控制器用來實現(xiàn)對電機側變頻器與電網(wǎng)側變頻器的控制，變頻控制器采用TMS320F2812為核心的DSP數(shù)字信號處理器，產生PWM脈寬調制信號經(jīng)IGBT晶體管驅動單元完成對兩側變頻器的控制。運行時，通過電壓/電流傳感器對多級永磁發(fā)電機、變頻器及電網(wǎng)三相交流電壓及電流進行檢測，通過轉速編碼器對轉速進行檢測，并輸入到DSP變頻控制器，實現(xiàn)對發(fā)電機三相交流輸出整流逆變控制，同時對電網(wǎng)側變頻器輸出電壓頻率、相位、幅值進行調節(jié)，當與電網(wǎng)電壓參數(shù)一致時，通過繼電器控制并網(wǎng)接觸器閉合實現(xiàn)并網(wǎng)。并網(wǎng)后可以對送入電網(wǎng)的發(fā)電功率因數(shù)進行調節(jié)。圖中電抗器起到抑制高次諧波的作用。本實用新型的發(fā)電與控制子系統(tǒng)設計有IGBT保護電路，具有過電流及超溫保護功能，具體過程為當IGBT出現(xiàn)過電流及超溫時，自動切斷驅動觸發(fā)脈沖到IGBT觸發(fā)端通道，起到保護IGBT晶體管的作用。本實用新型的主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式處理器，實現(xiàn)對風力機輸入功率與發(fā)電輸出功率的協(xié)調控制，內容包括將發(fā)電功率信息及時送給風力機控制子系統(tǒng)，通過對風力機控制實現(xiàn)對發(fā)電功率的調節(jié)；當發(fā)電側故障需要減少發(fā)電功率時，及時向風力機控制器下發(fā)變槳指令，減少輸入功率；完成整個機組的啟停、運行、停機等控制操作；顯不存儲等相關 目息。本實用新型還包括轉矩傳感器，該傳感器兩端通過聯(lián)軸器與電動機和發(fā)電機連接，信號送給主控制器，作為風力機功率參考信號。由伺服電動機與永磁發(fā)電機構成的機械傳動平臺，在旋轉軸兩端各安裝一個轉速編碼器，提供高精度轉速反饋信號，一個用于伺服電動機控制，一個用于永磁發(fā)電機控制，同時互為冗余，提高了系統(tǒng)可靠性。本實用新型系統(tǒng)的主要技術參數(shù)功率范圍0 IOKW連續(xù)可調；轉速范圍0 200轉/分連續(xù)可調；[0034]直流母線電壓DC230V電壓、電流測量精度5%。轉矩測量精度Z ±0. I % F · S轉速編碼器分辨率1024P/R伺服電機拖動功率15KW永磁發(fā)電機發(fā)電功率IOKW變頻器功率20KW電網(wǎng)電壓AC380V 以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求1.一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器、電網(wǎng)側變頻器、變頻控制器和主控制器； 所述計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器順次連接；變頻控制器分別與主控制器、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器連接；主控制器和PLC控制器連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)，其特征是所述多級永磁發(fā)電機為16級永磁發(fā)電機。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)，其特征是所述變頻控制器采用TMS320F2812為核心的DSP數(shù)字信號處理器。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)，其特征是所述主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式處理器。
專利摘要本實用新型公開了風力發(fā)電技術領域中的一種永磁直驅風力發(fā)電機組模擬實驗系統(tǒng)。本實用新型包括計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器、電網(wǎng)側變頻器、變頻控制器和主控制器；計算機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電動機、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器順次連接；變頻控制器分別于主控制器、電機側變頻器和電網(wǎng)側變頻器連接；主控制器和PLC控制器連接。本實用新型滿足了風力機從啟動到并網(wǎng)運行的寬范圍調速要求，并可保證模擬輸出轉矩與模擬風速成正比，使得模擬風力機與實際風力機特性更一致；使實驗系統(tǒng)的模擬風力機特性更符合實際。
文檔編號G01R31/34GK202599662SQ20122017512
公開日2012年12月12日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權日2012年4月23日
發(fā)明者呂躍剛, 高峰, 劉俊承, 肖運啟, 田濤 申請人:華北電力大學