专利名称：一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统的制作方法
技术领域：
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统。
背景技术：
目前，在风力发电领域，广泛使用大型直驱式风力发电系统，该发电系统的核心设备为风力机、多级永磁发电机与全功率变频设备，并通过风力机叶片变桨技术、发电机输出整流逆变技术等实现机组的发电控制，而通过实验开展对直驱式风力发电机组的研究工作是十分重要的。在目前已经安装的风力发电机组上直接进行实验研究有许多缺点，首先由于风力 发电场一般远离研究中心、风电机组处于几十米高度，实验条件极为不便；另外机组系统复杂，变桨系统、偏航解缆系统、液压制动系统、变频系统、数据采集与通信系统等环节较多且相互影响，给独立研究主要系统的控制问题带来极大不便，且由于机组平时承担着发电任务，对机组安全要求较高，机组的容量较大，实验成本也较高，因此，频繁的实验工作是难以得到满足的。目前的风力发电机组实验系统多真对双馈式风电机组，涉及直驱式风电机组的实验研究系统很少，其中一种大型兆瓦级直驱式机组实验系统采用大功率交流异步电机作为驱动，经齿轮箱减速来模拟风力机系统，优点是可以拖动实际大功率机组，完成整机相关实验。但由于电机的机械特性与实际机组风力机特性不完全一致、齿轮箱机械传动中存在间隙等问题，影响了实验效果，因此，在实验室环境下构建一种直驱式风力发电系统，采用与实际风力机输出特性一致的驱动装置来模拟实际风力机特性，并配以相应的控制系统构成一套完整的模拟实验系统，对开展直驱式风力发电机组运行特性及控制策略的研究工作是十分必要的。
发明内容
针对上述背景技术中提到的现有风力发电机组实验系统的机械特性和风力机特性模拟效果不好等不足，本发明提出了一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统。本发明的技术方案是，一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统，其特征是该系统包括计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器、电网侧变频器、变频控制器和主控制器；所述计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器和电网侧变频器顺次连接；变频控制器分别与主控制器、电机侧变频器和电网侧变频器连接；主控制器和PLC控制器连接；所述变频控制器用来实现对电机侧变频器和电网侧变频器的控制；所述多级永磁发电机用来模拟大功率多级永磁发电机特性。所述多级永磁发电机为16级永磁发电机。
所述变频控制器采用TMS320F2812为核心的DSP数字信号处理器。
所述主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式处理器。本发明采用功率为10千瓦的实验系统实现对大型直驱式风力发电机组的模拟。本发明与现有技术相比，没有采用变频调速器驱动普通异步电机的形式，而采用伺服电机与伺服控制器构成风力机物理模拟装置，因伺服电机具有调速范围较宽、线性的机械特性、相应快速的特点，可以满足风力机从启动到并网运行的宽范围调速要求，并可保证模拟输出转矩与模拟风速成正比，使得模拟风力机与实际风力机特性更一致；本发明采用的伺服电机在低转速(十几转/每分钟)具有良好的转矩转速特性，因此没有采用齿轮箱减速器，而采用伺服电机直接驱动方式(实际应用中，直驱式即指风力机直接驱动发电机)，优点是消除了齿轮箱减速器多级传动机构间隙所带来的死区、滞后的影响，使实验系统的模拟风力机特性更符合实际；本发明采用的多级永磁发电机为16级电机，使得与实际直驱发电机发电特性更接近，克服了一般小型永磁电机极对数低，不能反映实际电机特性的问题。本发明采用Iabview软件平台在计算机中建立风速及风力机模型，可通过改变风力机模型中叶片角度(桨距角)来实现变桨距控制，为风力机控制策略研究提供了方便；本发明采用DSP嵌入式控制器作为变频控制器，实现对发电机侧变频器与电网侧变频器控制，可以进行自主编程，为矢量控制等先进控制策略研究提供了方便；本发明采用ARM嵌入式控制器作为主控制器，实现风力机与发电机的协调控制，可以进行自主编程，为机组的整机优化控制研究提供了方便。
图I为本发明的原理图；图2为模拟风力机子系统原理图；图3为发电控制子系统原理图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。如图I所示，永磁直驱风力发电模拟实验系统，包括计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器、电网侧变频器、变频控制器和主控制器，计算机与PLC控制器连接，PLC控制器与伺服驱动器连接，伺服驱动器与伺服电动机连接，伺服电动机与扭矩传感器连接，扭矩传感器与多级永磁发电机连接，多级永磁发电机与电机侧变频器连接，电机侧变频器与电网侧变频器连接，电网侧变频器与电网连接，变频控制器与电机侧变频器及电网侧变频器连接，主控制器与变频控制器及PLC控制器连接。其中，计算机、PLC控制器、伺服驱动器与伺服电动机构成了模拟风力机子系统；多级永磁发电机、电机侧变频器、网侧变频器、变频控制器构成了发电控制子系统。该实验模拟系统在控制系统设计上采用了分层结构，PLC控制器与变频控制器处于下层，PLC控制器用来实现对模拟风力机的控制，变频控制器通过变频器用来实现对发电的控制；以ARM为核心的主控制器处于上层，用来实现对永磁直驱风力发电机组模拟实验系统的协调控制，上下层之间采用CAN总线实现通信。
本发明的模拟风力机子系统如图2所示，三相380伏交流电源经过两级断路器为子系统供电，其中两相经交直流转换器转换为直流24伏，分别为PLC控制器及伺服控制器供电。PLC控制器由PLC处理器模块、串行伺服通信模块、以太网通信模块、开关量输出模块及电源模块组成，工作时PLC控制器通过开关量输出模块使继电器带电，继电器闭合触点接通接触器控制电源，接触器闭合并将三相380伏交流电源送到伺服控制器。计算机中采用Iabview软件编程建立了风速及风力机模型，根据模拟风速作用于模拟风力机产生模拟转矩，将模拟转矩信号通过以太网送给PLC处理器，PLC处理器经串行伺服通信模块将转矩信号送给伺服控制器，伺服控制器根据转矩信号控制伺服电动机输出实际转矩并驱动伺服电机转动，同时，伺服电机拖动同轴连接的多级永磁发电机发电。编码器将转速信号接到伺服控制器，实验中如果出现驱动转矩与负载转矩不平衡而发生超速时，可起到超速保护作用。扭矩传感器用于测量伺服电动机的扭矩。该模拟风力机子系统也支持转速运行模式，此时，伺服电动机输出不再按转矩控制，而是按转速设定值将电机稳定在某一转速上运行。本发明的发电控制子系统工作原理如图3所示，电机侧变频器用来将多级永磁发电机输出的交流电转换为直流电。变频控制器用来实现对电机侧变频器与电网侧变频器的控制，变频控制器采用TMS320F2812为核心的DSP数字信号处理器，产生PWM脉宽调制信号经IGBT晶体管驱动单元完成对两侧变频器的控制。运行时，通过电压/电流传感器对多级永磁发电机、变频器及电网三相交流电压及电流进行检测，通过转速编码器对转速进行检测，并输入到DSP变频控制器，实现对发电机三相交流输出整流逆变控制，同时对电网侧变频器输出电压频率、相位、幅值进行调节，当与电网电压参数一致时，通过继电器控制并网接触器闭合实现并网。并网后可以对送入电网的发电功率因数进行调节。图中电抗器起到抑制高次谐波的作用。本发明的发电与控制子系统设计有IGBT保护电路，具有过电流及超温保护功能，具体过程为当IGBT出现过电流及超温时，自动切断驱动触发脉冲到IGBT触发端通道，起到保护IGBT晶体管的作用。本发明的主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式处理器，实现对风力机输入功率与发电输出功率的协调控制，内容包括将发电功率信息及时送给风力机控制子系统，通过对风力机控制实现对发电功率的调节；当发电侧故障需要减少发电功率时，及时向风力机控制器下发变桨指令，减少输入功率；完成整个机组的启停、运行、停机等控制操作；显示存储等相关信息。本发明还包括转矩传感器，该传感器两端通过联轴器与电动机和发电机连接，信号送给主控制器，作为风力机功率参考信号。由伺服电动机与永磁发电机构成的机械传动平台，在旋转轴两端各安装一个转速编码器，提供高精度转速反馈信号，一个用于伺服电动机控制，一个用于永磁发电机控制，同时互为冗余，提高了系统可靠性。本发明系统的主要技术参数功率范围0 IOKW连续可调；转速范围0 200转/分连续可调；
直流母线电压DC230V电压、电流测量精度5%。转矩测量精度Z ±0. I % F S转速编码器分辨率1024P/R伺服电机拖动功率15KW
永磁发电机发电功率IOKW变频器功率20KW电网电压AC380V 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统，其特征是该系统包括计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器、电网侧变频器、变频控制器和主控制器； 所述计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器和电网侧变频器顺次连接；变频控制器分别与主控制器、电机侧变频器和电网侧变频器连接；主控制器和PLC控制器连接； 所述变频控制器用来实现对电机侧变频器和电网侧变频器的控制； 所述多级永磁发电机用来模拟大功率多级永磁发电机特性。
2.根据权利要求I所述的一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统，其特征是所述多级永磁发电机为16级永磁发电机。
3.根据权利要求I所述的一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统，其特征是所述变频控制器采用TMS320F2812为核心的DSP数字信号处理器。
4.根据权利要求I所述的一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统，其特征是所述主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式处理器。
全文摘要
本发明公开了风力发电技术领域中的一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统。本发明包括计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器、电网侧变频器、变频控制器和主控制器；计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、扭矩传感器、多级永磁发电机、电机侧变频器和电网侧变频器顺次连接；变频控制器分别于主控制器、电机侧变频器和电网侧变频器连接；主控制器和PLC控制器连接。本发明满足了风力机从启动到并网运行的宽范围调速要求，并可保证模拟输出转矩与模拟风速成正比，使得模拟风力机与实际风力机特性更一致；使实验系统的模拟风力机特性更符合实际。
文档编号G01M15/00GK102636352SQ20121012074
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者刘俊承, 吕跃刚, 田涛, 肖运启, 高峰 申请人:华北电力大学