直驱式永磁风力发电系统能量转换系统的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术，尤其涉及一种直驱式永磁风力发电系统能量转换系统。

背景技术：

目前国家环境污染严重，煤炭等常规能源日益紧缺，风能作为绿色的清洁能源备受关注，开发利用风能尤为重要，风能具有普遍性，清洁型是可再生的能源，与其他新能源相比风能的利用率最高，因而对于风力发电技术的研究就更为重要，现阶段风力发电机组的主流技术是变速恒频发电机组，而直驱式永磁风力发电机组是风力机直接和发电机转子相连驱动永磁同步发电机运行，再通过全功率变流器变流之后实现并网。整个系统控制相比双馈风力发电机组器控制系统相对来说简单，机组的整体结构简单，而且部件减少维修率降低，系统可靠性高，效率高。

然而目前我国对永磁直驱风力发电机组的研究还在初步阶段，其控制系统的优化和输出电能的质量保证是研究重点，且变流器系统是永磁直驱风电机组中很重要的一部分，即变流器部分的控制需要深入的研究来提高电能质量。所以研究低速永磁直驱风力发电系统模拟系统对推动风电研究具有深远意义，其一，风电现场实验条件比较苛刻，调试困难。其二，可加快研究进程，减少研究经费，优化控制策略。搭建这一模拟系统不仅可以进行前期研究和后期实验而且还可以将其用做微电网中的交流电源。

为了提高低速永磁直驱发电系统的效率，其控制技术的研究迫在眉睫，现阶段最为突出的问题是全功率变流器的有效控制问题，现阶段大部分试验台忽略了其动态特性问题。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本实用新型提供了一种直驱式永磁风力发电系统能量转换系统，其目的是解决如何实现有功功率和无功功率解耦控制以及实现在跟踪最佳风功率曲线下的并网问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种直驱式永磁风力发电系统能量转换系统，所述直驱式永磁风力发电系统能量转换系统包括主控柜、并网柜、能量对拖台和配电柜；所述主控柜包括PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、拖动变频器、UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，不间断电源)、数字电能检测表和HMI(Human Machine Interface，人机界面)；所述并网柜包括信号采集板、全功率变流器、电能质量检测表和电抗器，其中，所述信号采集板包括机侧电压测量板和网侧电压测量板，而所述全功率变流器包括网侧变流器和机侧变流器；所述能量对拖台包括交流异步电动机、永磁同步发电机和同轴联轴器；所述PLC的一端连接上位机，所述PLC的另一端连接所述拖动变频器；所述拖动变频器连接所述交流异步电动机，所述交流异步电动机与所述永磁同步发电机之间通过所述同轴联轴器相连，所述永磁同步发电机连接所述全功率变流器；所述电抗器连接所述拖动变频器的进线端；所述机侧电压测量板连接所述机侧变流器，所述网侧电压测量板连接所述网侧变流器；所述电能质量检测表连接所述永磁同步发电机；所述配电柜用于向所述主控柜和所述并网柜提供电源；所述电源接入UPS用于给所述主控柜及所述并网柜的控制系统提供220V的不间断交流电，所述数字电能检测表用于检测进线电源的电压和电流；所述HMI连接所述电能质量检测表，所述电能质量检测表还连接所述全功率变流器。

进一步地，所述直驱式永磁风力发电系统能量转换系统还包括操作台，所述交流异步电动机与所述永磁同步发电机紧固在所述操作台上。

进一步地，所述PLC通过Modubus通讯接口与所述上位机连接。

进一步地，所述拖动变频器接有制动电阻，所述制动电阻用于在所述交流异步电动机停机过程中消耗电能。

进一步地，所述交流异步电动机接有光电编码器，所述光电编码器用于获取所述交流异步电动机的转速信号，并将该转速信号发给所述PLC。

本实用新型的直驱式永磁风力发电系统能量转换系统，具有以下有益效果：

一、有功能多样性的特点，可以进行风速模拟、空载实验、持续并网发电、有功无功功率控制、发电功率模拟、脱网保护模拟等应用，还可以用作交流电源，通过功率控制可人为在发电容量范围内给定预想要的发电功率；

二、本系统具有动态特性能实现能量的转换，还提供人机界面，使用户和操作者能直观的认识和了解永磁直驱风力发电的过程和各个参数；该系统还可以不仅可以用于并网而且还可以单独用于独立的电源，实现任意给定能量的输出这是现有技术不能达到的；

三、可以把在实际风场检测的风模型曲线导入到本系统，模拟风功率应用；

四、可以灵活的改变其中参数，模拟不同参数、容量大小的系统有便于二次开发使用。

通过以下结合附图对本实用新型的最佳实施例的详细说明，本实用新型的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本实用新型的优选实施例和解释本实用新型的原理和优点。在附图中：

图1为本实用新型的直驱式永磁风力发电系统能量转换系统的整体结构示意图；

图2为应用本实用新型的直驱式永磁风力发电系统能量转换系统时的一种可能的系统控制结构的示意图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本实用新型实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

本实用新型的实施例提供了一种直驱式永磁风力发电系统能量转换系统，所述直驱式永磁风力发电系统能量转换系统包括主控柜、并网柜、能量对拖台和配电柜；所述主控柜包括PLC、拖动变频器、UPS、数字电能检测表和HMI；所述并网柜包括信号采集板、全功率变流器、电能质量检测表和电抗器，其中，所述信号采集板包括机侧电压测量板和网侧电压测量板，而所述全功率变流器包括网侧变流器和机侧变流器；所述能量对拖台包括交流异步电动机、永磁同步发电机和同轴联轴器；所述PLC的一端连接上位机，所述PLC的另一端连接所述拖动变频器；所述拖动变频器连接所述交流异步电动机，所述交流异步电动机与所述永磁同步发电机之间通过所述同轴联轴器相连，所述永磁同步发电机连接所述全功率变流器；所述电抗器连接所述拖动变频器的进线端；所述机侧电压测量板连接所述机侧变流器，所述网侧电压测量板连接所述网侧变流器；所述电能质量检测表连接所述永磁同步发电机；所述配电柜用于向所述主控柜和所述并网柜提供电源；所述电源接入UPS用于给所述主控柜及所述并网柜的控制系统提供220V的不间断交流电，所述数字电能检测表用于检测进线电源的电压和电流；所述HMI连接所述电能质量检测表，所述电能质量检测表还连接所述全功率变流器。

图1给出了本实用新型的直驱式永磁风力发电系统能量转换系统的一个示例的结构示意图。如图1所示，该系统包括主控柜、并网柜、能量对拖台和配电柜。

其中，主控柜包括PLC、拖动变频器、UPS、数字电能检测表和HMI。此外，可选地，主控柜可以包括制动电阻，该制动电阻连接拖动变频器，这样，制动电阻能够在交流异步电动机停机过程中消耗电能。

并网柜包括信号采集板、全功率变流器、电能质量检测表和电抗器。其中，信号采集板包括机侧电压测量板和网侧电压测量板，而全功率变流器包括网侧变流器和机侧变流器。此外，能量对拖台包括交流异步电动机、永磁同步发电机和同轴联轴器。

PLC的一端连接上位机，PLC的另一端连接拖动变频器。其中，PLC例如可以通过Modubus通讯接口与上位机连接。拖动变频器连接交流异步电动机，以驱动交流异步电动机。

交流异步电动机与永磁同步发电机之间通过同轴联轴器相连，以带动永磁同步发电机。可选地，直驱式永磁风力发电系统能量转换系统还包括操作台，交流异步电动机与永磁同步发电机通过同轴联轴器相连后紧固在操作台上。

永磁同步发电机的定子连接全功率变流器；电抗器连接拖动变频器的进线端；机侧电压测量板连接机侧变流器，网侧电压测量板连接网侧变流器；电能质量检测表连接永磁同步发电机；配电柜用于向PLC提供电源；配电柜用于向主控柜和并网柜提供电源；电源接入UPS用于给主控柜及并网柜的控制系统提供220V的不间断交流电，数字电能检测表(如安科瑞数字电能检测表)用于检测配电柜接入电源的电压和电流；HMI连接电能质量检测表。此外，电能质量检测表还连接全功率变流器，这样，通过电能质量检测表可以检测系统输出的电压、电流、有功功率、无功功率、谐波分量等，有一个直观的观测。

此外，根据一种实现方式，交流异步电动机还接有光电编码器，光电编码器用于获取交流异步电动机的转速信号，并将该转速信号发给PLC，这样，将测到的转速信号及时反馈到控制系统(即PLC)，能够实现电机转速的快速调节。其中，PLC根据当前转速信号调节电机转速的过程可以采用现有控制技术实现，这里不再赘述。

下面描述本实用新型的直驱式永磁风力发电系统能量转换系统的一个优选实施例。

在该例子中，系统包括主控柜(由PLC、拖动变频器、UPS、制动电阻、数字电能检测表、HMI以及380供电、安全链供电电源等)、并网柜(机侧电压测量板、网侧电压测量板、全功率变流器、电抗器、电能质量检测表)、能量对拖台(交流异步电动机、永磁同步发电机、同轴联轴器)、配电柜和操作台，并外接上位机。其中，拖动变频器、PLC与全功率变流器的通讯方式均采用PROFIBUS协议，PLC与上位机间的通讯采用MODBUS协议。PLC与变频器(即拖动变频器)连接，拖动变频器连接至交流异步电动机，交流异步电动机与永磁同步发电机同轴相连，PLC通过模拟风和风力机模型得出转矩信号，再与拖动变频器通讯向其发送转矩控制指令。需要说明的是，在该例子中，PLC“通过模拟风和风力机模型得出转矩信号”的过程可以通过现有技术实现，这里不对该具体过程做出改进，任何具有以上功能的技术都可以在此使用。

在变频器进线端接有电抗器能达到抑制谐波电流，改善功率因数的作用。主控柜中的UPS不间断电源用于提供220V的交流电，制动电阻用于在电动机停机过程中消耗电能，安科瑞数字电能检测表用于检测进线电源的电压和电流。

并网柜中，机侧测量板和网侧测量板把测得的电量参数实时反馈到变流器，通过实时调节开关器件的导通状态，使变流器输出的电压与电网电压频率、幅值、相位达到一致实现并网。其中，电能质量检测表可以检测发电机发出来的电能质量，如有功功率和无功功率的大小、电压、电流、频率、谐波因数等，电能质量检测表和HMI通讯，可以直观在画面中实时显示波形。

通过建立输出风力机和风的数学模型实现能源动力输出特性的模拟，主要是通过矢量闭环控制的异步变频调速电机实现对发电机速度与转矩的改变，实现能源动力特性的模拟。异步电动机与永磁发电机用联轴器同轴相连，紧固在试验台上，发电机与全功率变流器相连，经过变流器整流逆变达到并网条件，同时可通过电能质量检测表检测出电压、电流、有功功率和无功功率、功率因数的大小，谐波分量等。

全功率变流器由机侧变流器和网侧变流器两部分构成，本系统中机侧变流器采用的控制策略是基于转子磁场定向的零d轴电流矢量控制策略，系统具有输入和输出功率因数可调、自动软并网控制等功能。高开关频率的IGBT功率器件构成的功率模块，能保证良好波形的输出。

控制器及低压器件通过配电柜接入电源，控制器通过通讯总线和变频器、变流器进行通讯和下达控制型号，变频器和能量对拖台的异步电动机相连接驱动异步电动机转动，异步电动机和永磁同步发电机通过同轴连接器相连，并且固定在一个系统上，在电动机侧装有轴流通风机用来散热，这样可以使电机温度不会很高，可以保护电机不会过热，在发电机侧装有光电编码器测量发电机的转速，反馈到控制系统进行转速快速调节，捕获最大风能，实现最佳功率输出曲线的跟踪功能。

并网柜装有背靠背变流器，通过电压测量板和电流计算板测量转子网侧、定子网侧和定子侧的量提供给变流器，通过网侧变流器调制直流母线电压，符合并网条件时，发出并网命令，实时并网。

试验台在主控柜的柜面设计了详细的监控画面，不仅可以实现本地监控也可以实现远程监控。本实用新型的系统具有人机界面功能，但并未对人机界面内的软件方法等进行改进，可以采用现有的诸如西门子的博图软件Advanced v12等来实现，包括系统运行画面、自动实验画面、仿真实验画面，故障记录画面，从画面中可以实施的监控各个运行阶段的参数变化，其中操作员可以通过查看故障记录画面中的记录有效地排除故障。

参照附图1所示，为系统的整体结构图，其中利用原动机代替了风轮拖动发电机发电。其中机侧变流器就是把交流电整流成直流电，使电压恒定，实现机组的变速恒频运行，通过控制有功功率保证风能转化效率最高。网侧变流器的作用是维持直流侧电压，把直流电逆变成交流电，最终变流器把频率幅值不断变化的交流电变为和电网频率、幅值相同的交流电实现并网。其控制系统中PLC为主控制系统，变流器把测得电压、电流信号发送给PLC，PLC一方面将信号反馈给变流器一方面发送给变频器调节电动机转矩形成闭环控制。

参照附图2所示，为系统的系统控制图，PLC采集外界风速风向信号，根据特定风场和风力机特性得出风轮机械转矩(该过程可根据现有技术获得)，PLC向拖动变频器发出变频信号，变频器调节电动机转速，输出相应的机械转矩(调节电动机转速及输出转矩的过程可以根据现有技术获得)，通过测量发电机定子侧和变流器网侧的电压、电流信号反馈给变流器控制系统进行控制，采集电网侧电压信号和网侧变流器输出的电流进行比较，符合并网条件则最终并网。由此，本实用新型的系统有效地实现了能量的转换，并能实现并网的功能。

本实用新型的系统，其利用PLC通过指令信号和系统反馈控制变频器和全功率变流器，全功率变流器采用背靠背的双PWM拓扑结构。在现有的双馈风力发电机实验装置中，双馈风力发电机转子侧发电并不经过变流器，而本实用新型的系统定子通过变流器将电能反馈给电网，这与现有技术是不同的。此外，双馈风力发电机的转子侧通过加入变频器向发电机给定励磁电流，并在超同步期间通过变频器向电网回馈电能；而本实用新型的永磁风力发电机系统转子侧为永磁材料制成，所以可以自励磁，不用外接变频器。另外，在整体控制方式上，现有技术的双馈风机具有亚同步、同步和超同步三种工作方式；而本实用新型的永磁风机不按照同步转速去区别相应工作状态。再次，现有技术的双馈实验装置是离网型的装置，其主要将电能通过耗能电阻消耗；而本实用新型的系统采用将发出来的电能回馈电网，相比之下更加节能。

尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。