专利名称：多功能风力发电模拟实验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电实验模拟系统领域，主要可用于在实验室环境下模拟兆瓦级风力机的实际运行特性，并可对等功率的风力发电机输出特性进行测试的实验装置。
背景技术：
对风力发电技术的开发与研究，最理想的方法是将发电机、传动机构与风轮直接相连， 在风力机实际运行过程的基础上开展对风力发电技术的研究工作。但由于实际风机系统复杂，风场环境恶劣，导致实验难以实现，并耗费大量的人力、物力和财力。采用可以代替实际的风力发电系统来进行实验，风力发电模拟系统原动机的机械特性与风力机风轮一样，大部分的实验效果与用实际风力机做实验等同，并且一套风力发电模拟系统可以模拟不同功率特性等级的风力机，风速的变动波形可以设定，给风力发电实验带来极大的方便。《风力发电模拟实验平台》(申请号200810220069.X)公开的是基于无刷双馈发电机的风力发电实验平台，考虑了动态模拟的情况；《一种基于双馈发电机的风力发电模拟系统》(申请号201010147802)公开的是基于双馈发电机的风力发电模拟系统，可对发电机的有功功率、无功功率实现灵活控制，并对电网起到无功补偿的作用；《一种变速恒频风力双馈发电机实验模拟系统》(申请号200510086939)公开的风力发电模拟实验平台可以针对不同风机模型进行修改，并可模拟水力双馈发电机的系统实验；上述文献公开的风力发电模拟实验平台只能对与风力发电机功率相等的风力机的输出特性进行模拟，此类方法不能真实有效的反映兆瓦级风力机的运行特性，而本实验平台可以对兆瓦级风力机低转速高转矩的运行特性进行准确模拟。

发明内容
本发明的目的是提供一种可通过计算机控制算法对原动机进行控制、拖动进而模拟兆瓦级风机转矩转速的特性，并可对等功率发电机的输出特性进行测试和实现单位功率因数并网的多功能风力发电模拟实验平台。为达到上述目的，本发明所述实验平台包括风力模拟机部分、机械传动部分和并网发电部分；风力模拟机部分由三相异步电机I、控制器I、变频器I、转矩转速传感器I 和减速齿轮箱组成，控制器I通过给定的风速信号和采集到的转速信号，在PC机中采用 VC++6.0开发的可视化MW级缩比风力模拟机在线软件实时计算出参考转矩和转速信号，对变频器I输出转矩指令，由变频器通过矢量控制原理控制原动机，拖动减速齿轮箱运行进而实现对兆瓦级风机的模拟；机械传动部分主要由增速齿轮箱组成，由于兆瓦级风机转速范围一般为lOr/minlOr/min，因此需要通过增速齿轮箱提升转速，使发电机工作在合适的转速范围内。并网发电部分由三相异步电机II、控制器II、变频器II、转矩转速传感器II、 隔离变压器和发电机构成，控制器II通过MPPT控制算法实时计算发电机所需的转速信号指令，并将该指令输入到变频器Π中，控制发电机保持在最优转速运行；发电机发出幅值、 频率变化的三相交流电，经过变频器II进行电能质量转换，变换成符合风电并网导则要求的电再经过三相隔离变压器进行并网。由于增速齿轮箱增速比和减速齿轮箱减速比基本相同，当选择减速齿轮箱的输出端作为风力模拟机时就可以模拟兆瓦级风机特性；当选择增速齿轮箱的输出端作为风力模拟机时就可以模拟等功率的风机特性。电机I采用的是变频电机，电机II采用普通的三相鼠笼式电机。控制器I使用的是研华的PCI-1716板卡，控制器II使用的是研华的PCI-1723板卡，均可采集数字模拟信号并发出数字模拟信号，通过PC机进行控制。转矩转速传感器I、II可以将采集到的转速、转矩、功率信号通过串口与PC机实现通讯。所述变频器I为ABB的ACS550变频器，变频器II为ABB的ACS800变频器，并分别由与PC机相连的板卡所发出的电压信号进行控制。本发明在PC机中采用VC++6.0开发了可视化风力模拟机软件，通过公式可以准确的建立风速模型，在实验室条件下模拟实际的风况，并可根据需要修改相应的参数，从而建立不同的风机模型；通过板卡I输出给变频器I相应的电压信号，对原动机的转矩实时控制，达到对兆瓦级风机转矩特性的静、动态模拟；利用MPPT算法实时计算参考的转速信号， 通过板卡II输出给变频器II相应的电压信号，即可实现对兆瓦级风机低转速特性的模拟； 并最终可以在软件上对风力模拟机的转矩、转速、功率以及发电机的电流、电压等信号进行实时监测与分析处理。与现有技术相比，本发明具有如下优点
1、本发明可以准确有效的模拟兆瓦级风机的运行特性，并可对等功率发电机的输出特性进行测试。
2、本发明可以对不同的风机模型进行修改，具有很强的通用性。3、本发明开发的风机模拟器软件可以实现对转矩、转速、功率、电流、电压等的在线监测与分析。


图1是本发明的总体结构示意图。图2是本发明的MPPT方法实现流程图。图3是本发明的变频器与板卡之间的光耦连接图a。图4是本发明的变频器与板卡之间的光耦连接图b。图5是本发明的控制流程图。
具体实施例方式
本发明所述实验平台包括风力模拟机部分、机械传动部分和并网发电部分；风力模拟机部分由三相异步电机I、控制器I、变频器I、转矩转速传感器I和减速齿轮箱组成，控制器 I通过给定的风速信号和采集到的转速信号，在PC机中采用VC++6. 0开发的可视化MW级缩比风力模拟机在线软件实时计算出参考转矩和转速信号，对变频器I输出转矩指令，由变频器通过矢量控制原理控制原动机，拖动减速齿轮箱运行进而实现对兆瓦级风机的模拟； 机械传动部分主要由增速齿轮箱组成，由于兆瓦级风机转速范围一般为lOr/minlOr/min， 因此需要通过增速齿轮箱提升转速，使发电机工作在合适的转速范围内。并网发电部分由三相异步电机II、控制器II、变频器II、转矩转速传感器II、隔离变压器和发电机构成，控制器II通过MPPT控制算法实时计算发电机所需的转速信号指令，并将该指令输入到变频器II中，控制发电机保持在最优转速运行；发电机发出幅值、频率变化的三相交流电，经过变频器II进行电能质量转换，变换成符合风电并网导则要求的电再经过三相隔离变压器进行并网。由于增速齿轮箱增速比和减速齿轮箱减速比基本相同，当选择减速齿轮箱的输出端作为风力模拟机时就可以模拟兆瓦级风机特性；当选择增速齿轮箱的输出端作为风力模拟机时就可以模拟等功率的风机特性。本实验平台主要由硬件部分和软件部分构成，下面结合附图分别予以详尽描述 1、硬件部分
系统硬件配置的详细说明如下 1. 1电机I
所用电机为西门子变频电机，较常规异步电机具有更好的非正弦波电源适应能力，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，提高了其固有频率避开与各次谐波产生的共振现象，增加了由单独电源供电的强冷风扇，保证电机低转速下的冷却。1. 2 电机 II
所用电机为是西门子电机。相关参数为型号Y180L-4、额定电压380V、额定电流 42. 5A、磁极数4、转子额定转速1470rpm、额定频率50Hz、效率91. 5%、重量188Kg。1.3减速齿轮箱
本系统中所选用的齿轮箱为江苏泰隆减速齿轮箱，型号2SY200-56-2、减速比56/1、 功率为30KW。1. 4升速齿轮箱
本系统所选用的升速齿轮箱是南京高精齿轮股份有限公司的齿轮箱，型号 YSDX-01-00，升速比为1/55. 75，功率为30KW，并由平台后端的油箱供油，起到润滑和冷却的作用。1. 5转矩转速传感器
在本系统中，所选用的两个转矩转速传感器均是四川城邦设备，低速轴传感器I参数 型号NJ3、精度0. 2、额定转矩量程(Γ10000Ν. M、标定系数8088、工作转速(T8000rpm ；高速轴传感器II参数型号NJ1、精度0. 2、额定转矩量程(Γ200Ν. M、标定系数8519、工作转速 0^6000rpmo与转矩转速传感器相配套的机械效率仪为NX-I，通过串口与PC机相连，能够实时显示转矩、转速、功率信号。1. 6变频器
本系统中用于控制原动机的变频器为瑞士 ABB公司的ACS550-01变频器，主要是控制原动机的转矩；控制发电机的变频器为瑞士ABB公司的ACS800-11变频器，可以对发电机的转速进行调节并实现单位功率因数并网功能。1. 7 板卡
本系统所采用的两块板卡分别为研华公司的PCI-1716和PCI-1723，带有250Ks/s的 16位A/D转换、D/A输出通道、16位数字量输入/输出通道和10HMsl6位计数器通道。1. 8 光耦
由于变频器与板卡之间数字信号的传输需要隔离，因此本系统采用的光耦为东芝公司的非线性光耦TLP521，其中正向电流的额定值为50mA，电源电压的最大值为MV。1.9 PC 机系统
PC机分别与板卡和机械效率仪相连接，通过创建的软件采集并发出信号，实现对整个风力发电系统的控制，并能实时的观测系统的运行特性。
参见图1，实验平台的工作原理是变频器I与电网相连，通过对变频器的控制使得电机I拖动减速齿轮箱转动，这样就可以模拟实际风机风轮的转动情况，之后经过升速齿轮箱，拖动电机II发电，电机II由变频器II控制，可以将电机II所发出的频率幅值变化的三相交流电变换成符合并网条件的电能，并最终通过隔离变压器将电能回馈给电网。PC机根据所设定的风速模型，以及通过转矩转速传感器I采集到的低速轴转速，通过转矩数学模型(额定风速以下时桨距角 β为零)计算，得到电机I所应输出的转矩信号。变频器I主电路由二极管不控整流、直流滤波电容、电容过压保护电路、三相逆变器构成。针对不同的应用场合对应于不同的控制宏选项，在本模拟系统中采用转矩控制宏，接受来自板卡发出的转矩信号并输出电压去控制电机I。变频器I有本地控制和远程控制两个选项，通过变频器自带的电机控制和I/O电路板——RMio (Motor control and I/O board)，可以实现对变频器的远程控制与通信。 RMIO板包括两个可编程的模拟输入端口、两个模拟输出端口、六个可编程的数字输入端口和三个数字输出端口。变频器与板卡之间数字信号的传输需要光耦进行隔离，如图3所示，启/停11、 01 ；正/反=12,02 ；速度/转矩=13,03 ；运行/允许=14,04 ；准备:15、06 ；运行:17、07 ；故障19,09 ；板卡+5V 电源16 ；外接+12V 电源05 ；接地18、08 ；电阻R1=200 Ω、R2=1K Ω ；
光耦1、H(TLP521-4)。数字输入分别为DIl—启动/停车，得电为启动；DI2—正转/反
转，得电为反向；DI3—速度/转矩控制，得电选择转矩控制；DI6—运行允许，得电为运行允许，一旦断开变频器将停车。变频器接收的数字信号电压要求大于10V，而板卡输出的数字信号高电平仅为5V，因此在光耦的输出端外接了 12V电源，用于激活变频器相应的数字输入功能。变频器三个数字输出端口的作用是显示当前变频器的实际运行状态准备、运行和故障，由于变频器数字输出电压信号为MV，高于板卡接收的数字信号电压，因此利用板卡自身提供的5V电源进行供电，便可将变频器的运行状态通过板卡在PC机中反映出来。两个模拟输入端口分别为AI1—速度给定；AI2—转矩给定。外部可通过电压信号((TlOV)或电流信号((T20mA)进行控制，切换也很简单，可通过跳线进行设置。在本系统中变频器I 选用转矩给定，接收来自板卡的(T10V的电压信号(此信号为之前在PC机中的转矩计算值经换算得到的电压信号)，从而可以对电机I的输出转矩进行控制，通过电机I拖动减速齿轮箱转动，便能有效的对兆瓦级风力机的运行特性进行模拟。变频器II由背靠背变流器构成，机侧变流器实现对风机转速的控制，使其准确的跟踪兆瓦级风机低转速特性。网侧变流器实现直流侧电压恒定和并网功率因数的调节。通过该变流装置将电能优化进行并网控制。当PC机所设定的风速发生变化时，需要通过调节电机II的转速，使风力模拟机的运行符合最优的功率一转速曲线，从而在不同的风速下均能捕获最大功率。风力机吸收的功率与角速度在不同的风速情况下呈现抛物线的关系，风机吸收的功率与转子的转速是一个单值函数，并且当转子在最优转速时对应着一个最大的功率点。将各个风速下的最大功率点连接起来就是最优功率曲线。在各种不同的风速下， 通过变频器II机侧变流器的控制使电机的转子转速工作于最优转速就可以捕获到最大功率。如图2所示，本系统采用的MPPT算法是变步长扰动法，通过采集风力模拟机的输出功率，并和上一次采集到的功率进行比较，确定转速的变化方向及变化量，从而最终使转速接近于最优转速。其中对风力模拟机功率的采集是通过转矩转速传感器I，将采集到的信号通过机械效率仪传输给PC机，采样时间间隔为ls，PC机根据设定的MPPT算法计算出发电机的转速值，经换算成电压信号后通过板卡传输给变频器II，从而实现对最大功率点的实时跟踪。变频器II同样采用转矩控制宏，RMIO板包括三个可编程的模拟输入端口、两个模拟输出端口、六个可编程的数字输入端口和三个数字输出端口。参见图4，起/停11、01 ； 正/反12、02 ；速度/转矩=13,03 ；运行/允许=14,04 ；准备:15、05 ；运行:17、08 ；故障 19、09 ；板卡+5V电源07 ；变频器MV电源06 ；接地16、18 ；电阻R1=200 Ω、R2=1K Ω ；光
耦1、H(TLP521-4)。数字输入输出端口基本与变频器I的设置一致，模拟输入端口选用
AIl—速度给定，接收板卡(TlOV的电压信号，从而可以实时的对系统的转速进行控制。系统的软件实现部分主要包括三个选项1、风机特性模拟及MPPT操作；2、状态显示；3、退出。机型参数可以选择失速定桨距型或变速变桨距型，其中具体参数的设定包括 桨距角、风轮半径、风机高度、环境温度、空气密度、大气压强。风速模型根据实际的自然风搭建了四种风速模型基本风、渐变风、阵风和随机风。可以根据需要选择其中的一种或几种风速模型，进行组合叠加，来模拟实际的风速运行情况，模拟的风速可以在图右侧通过曲线的形式显示出来。对风力机的模拟可以选择静态模拟或动态模拟，MPPT的控制方法可选择叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山法等多种方法。系统高速轴和低速轴转矩转速信号最终可在监控界面上显示出来，达到对系统实时监控的目的。图5为本发明的控制流程图，具体操作步骤如下系统上电后首先对变频器I、II 的相关参数进行设定，均设置为远程控制模式，采用转矩控制宏，在PC机中打开软件的主界面，分别对风力机的机型参数和风速模型进行设置，之后对风力机的静态/动态模拟方式和采用的MPPT方法进行选择。当不采用MPPT方法时，可人为控制发电机转速，软件根据之前所设定的风速及采集到的转速信号对原动机进行控制，可模拟实际的风力机运行状况；当采用MPPT算法时，软件根据风速变化情况实时的计算风力机最优的转速信号，从而使风力机捕获最大功率。最后可以通过状态监测界面对整个系统的转矩、转速、功率、电流、 电压等信号进行在线监测与分析。
权利要求
1.一种多功能风力发电模拟实验平台，其特征在于所述实验平台包括风力模拟机部分、机械传动部分和并网发电部分；风力模拟机部分由PC机、板卡I、电机I、控制器I、变频器I、转矩转速传感器I和减速齿轮箱组成，控制器I通过给定的风速信号和采集到的转速信号，在PC机中采用VC++6. 0开发的可视化MW级缩比风力模拟机在线软件实时计算出参考转矩和转速信号，板卡I对变频器I输出转矩指令，由变频器通过矢量控制原理控制原动机，拖动减速齿轮箱运行进而实现对兆瓦级风机的静、动态模拟；机械传动部分至少由增速齿轮箱组成；并网发电部分由三相异步电机II、控制器II、变频器II、转矩转速传感器II、 隔离变压器、板卡II和发电机构成，控制器II通过MPPT控制算法实时计算发电机所需的转速信号指令，并将该指令通过板卡II输入到变频器II中，对兆瓦级风机低转速特性进行模拟，并控制发电机保持在最优转速运行；发电机发出幅值、频率变化的三相交流电，经过变频器II进行电能质量转换，变换成符合风电并网导则要求的电再经过三相隔离变压器进行并网。
2.根据权利要求1所述的多功能风力发电模拟实验平台，其特征在于电机I采用变频电机，电机II采用三相鼠笼式电机。
3.根据权利要求1所述的多功能风力发电模拟实验平台，其特征在于控制器I使用研华的PCI-1716板卡，控制器II使用研华的PCI-1723板卡，均可采集数字模拟信号并发出数字模拟信号，通过PC机进行控制。
4.根据权利要求1所述的多功能风力发电模拟实验平台，其特征在于转矩转速传感器I、II可将采集的转速、转矩、功率信号通过串口与PC机实现通讯。
5.根据权利要求1所述的多功能风力发电模拟实验平台，其特征在于所述变频器I 为ABB的ACS550变频器，变频器II为ABB的ACS800变频器，并分别由与PC机相连的板卡所发出的电压信号进行控制。
全文摘要
一种多功能风力发电模拟实验平台，该平台主要由两个三相异步电机、两个变频器、减速齿轮箱、升速齿轮箱、两个转矩转速传感器、板卡和PC机组成。通过在上位机中对风速进行设定，板卡采集转矩转速矩传感器I中的转速信号，在PC机中计算出参考转矩和转速信号，由变频器I控制电机I的转矩，拖动减速箱转动来模拟实际兆瓦级风机风轮的转动情况，变频器II控制电机II的转速，使风力模拟机始终运行在最优的功率—转速曲线上。本发明可以对不同的风机模型进行修改，具有很强的通用性，并可实现对整个系统转矩、转速、功率、电流、电压等的在线监测与分析。
文档编号G01R31/34GK102252846SQ20111011393
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者杨育林, 贾志云, 陈毅东, 陈继刚, 齐效文 申请人:燕山大学