CN101814744A - 一种基于双馈发电机的风力发电模拟*** - Google Patents

一种基于双馈发电机的风力发电模拟*** Download PDF

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高飞
胡世忠
张玲
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Abstract

本发明公开了一种基于双馈发电机的风力发电模拟***，包括一个变频器2接于电网1后，采用电动机3模拟风力机的风轮转矩，双馈风力发电机4接于电动机3后面，由电动机运行带动双馈风力发电机转动发出电能，电能由双馈发电机的定子回馈给电网1，而双馈发电机的转子由四象限整流逆变电路5来控制，以此来实现变速恒频功能，整个***形成一个闭环回路。控制***6用来控制变频器2和四象限整流逆变电路5，完成***的控制功能。模拟***的特点是采用电动机模拟风力机的风轮转矩进行模拟试验，双馈发电机实现了变速恒频控制，可实现用功功率、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

Description

一种基于双馈发电机的风力发电模拟***
技术领域
本发明属于风力发电实验模拟***领域，涉及一种风力发电模拟***，尤其是一种基于双馈发电机的风力发电模拟***。
背景技术
随着能源与环境的压力增加，清洁可再生的新能源近年来受到普遍重视。在各类绿色能源中，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一，风力发电从生产到回收处理的整个过程都不产生任何污染，又可以减少燃料带来的环境污染，从而起到保护地球生态环境的作用，是真正的绿色能源。
在实际风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率与电网保持一致，即频率保持恒定，过去采用的恒速恒频发电方式，发电机转速不能变，迫使风力机在不同风力下维持一个转速，当风速变化时风力机偏离其与最大风能相对应的最佳速度，导致风力资源浪费，发电效率下降，而且机组机械应力和磨损增大，原动机受损，也使发电质量下降，这些诸多缺点都直接影响了风力发电在实际生产中的推广应用。为了克服这些现有技术中的缺点，研究一种新型的风力发电***是必须的。但是在风力发电技术的研究阶段，直接在风场采用实际风力发电机进行试验，显然是不现实也是不经济的，因此首先设计一种用于风力发电机***实验的模拟装置是研究人员迫切需要的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点并填补风力发电模拟***的空白，提供一种基于双馈发电机的风力发电模拟***，该***采用电动机模拟风力机的风轮转矩进行模拟试验，双馈发电机实现变速恒频控制，可实现有功功率、无功功率的灵活控制，对电网起到无功补偿的作用。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种基于双馈发电机的风力发电模拟***，包括电网、变频器和电动机，另外还包括有双馈风力发电机和四象限整流逆变电路。变频器的输入端连接到电网上，变频器的输出端与电动机的输入端连接，电动机的输出轴与双馈风力发电机的转子连接，所述双馈风力发电机的定子连接到电网上，双馈风力发电机的转子还通过四象限整流逆变电路与电网连接，所述变频器和四象限整流逆变电路还连接有一控制模块。
上述控制模块包括微处理器以及分别与微处理器连接的控制台和信号采集模块，所述微处理器还分别通过第一驱动电路和第二驱动电路与变频器和四象限整流逆变电路连接；所述信号采集模块采集双馈风力发电机的状态数据并传送给微处理器，微处理器将信号采集模块的数据进行处理，显示于控制台上，控制台向第一驱动电路和第二驱动电路分别发出信号，驱动变频器和四象限整流逆变电路工作。
上述信号采集模块采集双馈风力发电机的状态数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速。
进一步的，在以上所述控制台上设定控制参数，所述控制参数是根据信号采集模块采集到双馈风力发电机的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。
上述微处理器是可编程控制器PLC、PCC或者单片机。
进一步，上述微处理器采用西门子S7-300可编程控制器。
本发明具有以下有益效果：
本发明的模拟***采用电动机带动双馈风力发电机，由变频器控制电动机模拟风力叶轮在不同风速下的变转速状态，从而达到对双馈风力发电机的变转速输入的目的，另外双馈风力发电机定子和电网直接相连接，转子和四象限整流逆变电路相连接，通过四象限整流逆变电路的功率仅仅是转差功率，可实现有功功率、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，可以优化***内电网质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制模块6的连接结构示意图。
其中：1为电网；2为变频器；3为电动机；4为双馈风力发电机；5为四象限整流逆变电路；6为控制模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，该风力发电模拟***，包括电网1、变频器2、电动机3和双馈风力发电机4。变频器2的输入端连接到电网1上，变频器2的输出端与电动机3的输入端连接，采用电动机3模拟风力机的风轮转矩，双馈风力发电机4接于电动机3后面，即将电动机3的输出轴与双馈风力发电机4的转子连接，双馈风力发电机4的定子连接到电网1上，双馈风力发电机4的转子还通过四象限整流逆变电路5与电网1连接，变频器2和四象限整流逆变电路5还连接有一控制模块6。
控制模块6如图2所示，控制模块6包括微处理器101以及分别与微处理器101连接的控制台102和信号采集模块105。微处理器101还分别通过第一驱动电路103和第二驱动电路104与变频器102和四象限整流逆变电路5连接。信号采集模块105采集双馈风力发电机4的状态数据并传送给微处理器101，微处理器101将信号采集模块105的数据进行处理，显示于控制台102上，控制台102向第一驱动电路103和第二驱动电路104分别发出信号以驱动变频器102和四象限整流逆变电路105工作。其具体过程是：信号采集模块105采集的的数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速，这五个数据主要来自变频器2和四象限整流逆变电路5以及电机编码器，操作人员根据这五个数据，可在控制台2上设定参数，这些参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流，电动机的电压、电流和转速。通过调节电动机3的转速可模拟风力机的转动，而后调节发电机转子绕组的励磁电流可实现变速恒频的目的。这样通过参数的设置就可模拟风力发电机的运转。
以上的微处理器101可采用一般的工业控制器，如可编程控制器PLC、PCC或者单片机。本发明的最优方案中该微处理器101采用西门子S7-300可编程控制器。
以上控制台102实际上是一人机界面，在其上设定控制参数，控制参数是根据信号采集模块105采集到双馈风力发电机4的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。本发明的控制台102最优方案是采用西门子MP277人机界面触摸屏，该触摸屏直接与微处理器-西门子S7-300PLC进行通信，传感器采集到的各种数据经PLC处理后可直接显示在该触摸屏上。在***搭建过程中，采用西门子组态软件对该人机界面进行组态，根据***的功能，本发明中共组态3个模块，即：***启停模块，参数设置模块，***运行监控模块。***起停模块组态3个按钮：启动，停止和急停，其中急停用于***出现突发故障的情况。参数设置模块中可设置变频器2和四象限整流逆变电路5的参数，包括控制方式的设置，最低运行频率，最高运行频率，载波频率，电机参数(额定功率、电压、电流、转速、最大频率)，跳频参数。***运行监控模块中的监控对象有定子电压，定子电流，转子电压，转子电流，电机转速，电机温度，频率，这些数据均可在该模块中实时显示，发现监控对象的数据出现超额变动时可直接切换到参数设置模块中修改参数，以保证***的正常运行。
本发明的具体原理是：变频器2接于电网1上，通过不同的频率设定来改变电动机3的转速，而电动机3运行可以带动的双馈风力发电机4转动来发电，所以变频器2和电动机3这两个部分是用来模拟风力发电中风机的叶片，电动机3的运行表示叶片的转动，而受变频器控制的转速的可变表示实际中风速的变化。接于电动机3后面的双馈风力发电机4把转换于风能的机械能转换为电能。双馈风力发电机4的定子输出的电流直接回馈给电网1，双馈风力发电机4的转子由四象限整流逆变电路5控制，用来实现变速恒频功能，整个***形成一个闭环回路。其中双馈发电机4的定子直接接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值可调的四象限整流逆变电路5供给低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转的磁场，这个磁场转速与转子的机械转速相加等于定子磁场同步速，从而在发电机定子绕组中感应出同步转速的工频电压；当风速变化时转速随之变化，此时通过控制来改变转子电流的频率，即转子旋转磁场的转速，以补偿电机转速变化，这样就达到变速恒频的目的。控制***6用来控制变频器2和四象限整流逆变电路5，完成***的控制功能。

Claims (6)

1.一种基于双馈发电机的风力发电模拟***，包括电网(1)、变频器(2)和电动机(3)，其特征在于：还包括有双馈风力发电机(4)和四象限整流逆变电路(5)，所述变频器(2)的输入端连接到电网(1)上，变频器(2)的输出端与电动机(3)的输入端连接，电动机(3)的输出轴与双馈风力发电机(4)的转子连接，所述双馈风力发电机(4)的定子连接到电网(1)上，双馈风力发电机(4)的转子还通过四象限整流逆变电路(5)与电网(1)连接，所述变频器(2)和四象限整流逆变电路(5)还连接有一控制模块(6)。
2.根据权利要求1所述的基于双馈发电机的风力发电模拟***，其特征在于：所述控制模块(6)包括微处理器(101)以及分别与微处理器(101)连接的控制台(102)和信号采集模块(105)，所述微处理器(101)还分别通过第一驱动电路(103)和第二驱动电路(104)与变频器(102)和四象限整流逆变电路(5)连接；所述信号采集模块(105)采集双馈风力发电机(4)的状态数据并传送给微处理器(101)，微处理器(101)将信号采集模块(105)的数据进行处理，显示于控制台(102)上，控制台(102)向第一驱动电路(103)和第二驱动电路(104)分别发出信号，驱动变频器(2)和四象限整流逆变电路(5)工作。
3.根据权利要求2所述的基于双馈发电机的风力发电模拟***，其特征在于：所述信号采集模块(105)采集双馈风力发电机(4)的状态数据包括定子电流、定子电压、转子电流、转子电压和电机转速。
4.根据权利要求2所述的基于双馈发电机的风力发电模拟***，其特征在于：控制台(102)上设定控制参数，所述控制参数是根据信号采集模块(105)采集到双馈风力发电机(4)的状态数据来设定，控制参数包括发电机转子励磁电流的频率、相位和幅值，发电机定子电流以及电动机的电压、电流和转速。
5.根据权利要求2所述的基于双馈发电机的风力发电模拟***，其特征在于：所述微处理器(101)是可编程控制器PLC、PCC或者单片机。
6.根据权利要求5所述的基于双馈发电机的风力发电模拟***，其特征在于：所述微处理器采用西门子S7-300可编程控制器。
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