專利名稱：一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，廣泛使用大型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備為風(fēng)力機(jī)、多級永磁發(fā)電機(jī)與全功率變頻設(shè)備，并通過風(fēng)力機(jī)葉片變槳技術(shù)、發(fā)電機(jī)輸出整流逆變技術(shù)等實(shí)現(xiàn)機(jī)組的發(fā)電控制，而通過實(shí)驗(yàn)開展對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究工作是十分重要的。在目前已經(jīng)安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究有許多缺點(diǎn)，首先由于風(fēng)力發(fā)電場一般遠(yuǎn)離研究中心、風(fēng)電機(jī)組處于幾十米高度，實(shí)驗(yàn)條件極為不便；另外機(jī)組系統(tǒng)復(fù)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(dú)立研究主要系統(tǒng)的控制問題帶來極大不便，且由于機(jī)組平時(shí)承擔(dān)著發(fā)電任務(wù)，對機(jī)組安全要求較高，機(jī)組的容量較大，實(shí)驗(yàn)成本也較高，因此，頻繁的實(shí)驗(yàn)工作是難以得到滿足的。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多真對雙饋式風(fēng)電機(jī)組，涉及直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)很少，其中一種大型兆瓦級直驅(qū)式機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用大功率交流異步電機(jī)作為驅(qū)動，經(jīng)齒輪箱減速來模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是可以拖動實(shí)際大功率機(jī)組，完成整機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。但由于電機(jī)的機(jī)械特性與實(shí)際機(jī)組風(fēng)力機(jī)特性不完全一致、齒輪箱機(jī)械傳動中存在間隙等問題，影響了實(shí)驗(yàn)效果，因此，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下構(gòu)建一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用與實(shí)際風(fēng)力機(jī)輸出特性一致的驅(qū)動裝置來模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性，并配以相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成一套完整的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對開展直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性及控制策略的研究工作是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容針對上述背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械特性和風(fēng)力機(jī)特性模擬效果不好等不足，本實(shí)用新型提出了一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器、電網(wǎng)側(cè)變頻器、變頻控制器和主控制器；所述計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器順次連接；變頻控制器分別與主控制器、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)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(jī)為16級永磁發(fā)電機(jī)。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(shí)用新型采用功率為10千瓦的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對大型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模擬。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，沒有采用變頻調(diào)速器驅(qū)動普通異步電機(jī)的形式，而采用伺服電機(jī)與伺服控制器構(gòu)成風(fēng)力機(jī)物理模擬裝置，因伺服電機(jī)具有調(diào)速范圍較寬、線性的機(jī)械特性、相應(yīng)快速的特點(diǎn)，可以滿足風(fēng)力機(jī)從啟動到并網(wǎng)運(yùn)行的寬范圍調(diào)速要求，并可保證模擬輸出轉(zhuǎn)矩與模擬風(fēng)速成正比，使得模擬風(fēng)力機(jī)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性更一致；本實(shí)用新型采用的伺服電機(jī)在低轉(zhuǎn)速(十幾轉(zhuǎn)/每分鐘)具有良好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，因此沒有采用齒輪箱減速器，而采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動方式(實(shí)際應(yīng)用中，直驅(qū)式即指風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī))，優(yōu)點(diǎn)是消除了齒輪箱減速器多級傳動機(jī)構(gòu)間隙所帶來的死區(qū)、滯后的影響，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬風(fēng)力機(jī)特性更符合實(shí)際；本實(shí)用新型采用的多級永磁發(fā)電機(jī)為16級電機(jī)，使得與實(shí)際直驅(qū)發(fā)電機(jī)發(fā)電特 性更接近，克服了一般小型永磁電機(jī)極對數(shù)低，不能反映實(shí)際電機(jī)特性的問題。本實(shí)用新型采用Iabview軟件平臺在計(jì)算機(jī)中建立風(fēng)速及風(fēng)力機(jī)模型,可通過改變風(fēng)力機(jī)模型中葉片角度(槳距角)來實(shí)現(xiàn)變槳距控制，為風(fēng)力機(jī)控制策略研究提供了方便；本實(shí)用新型采用DSP嵌入式控制器作為變頻控制器，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器與電網(wǎng)側(cè)變頻器控制，可以進(jìn)行自主編程，為矢量控制等先進(jìn)控制策略研究提供了方便；本實(shí)用新型采用ARM嵌入式控制器作為主控制器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，可以進(jìn)行自主編程，為機(jī)組的整機(jī)優(yōu)化控制研究提供了方便。

圖I為本實(shí)用新型的原理圖；圖2為模擬風(fēng)力機(jī)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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。如圖I所示，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器、電網(wǎng)側(cè)變頻器、變頻控制器和主控制器，計(jì)算機(jī)與PLC控制器連接，PLC控制器與伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器與伺服電動機(jī)連接，伺服電動機(jī)與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器與多級永磁發(fā)電機(jī)連接，多級永磁發(fā)電機(jī)與電機(jī)側(cè)變頻器連接，電機(jī)側(cè)變頻器與電網(wǎng)側(cè)變頻器連接，電網(wǎng)側(cè)變頻器與電網(wǎng)連接，變頻控制器與電機(jī)側(cè)變頻器及電網(wǎng)側(cè)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(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器與伺服電動機(jī)構(gòu)成了模擬風(fēng)力機(jī)子系統(tǒng)；多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器、網(wǎng)側(cè)變頻器、變頻控制器構(gòu)成了發(fā)電控制子系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了分層結(jié)構(gòu)，PLC控制器與變頻控制器處于下層，PLC控制器用來實(shí)現(xiàn)對模擬風(fēng)力機(jī)的控制，變頻控制器通過變頻器用來實(shí)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(shí)現(xiàn)對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，上下層之間采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通信。本實(shí)用新型的模擬風(fēng)力機(jī)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(guān)量輸出模塊及電源模塊組成，工作時(shí)PLC控制器通過開關(guān)量輸出模塊使繼電器帶電，繼電器閉合觸點(diǎn)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(jì)算機(jī)中采用Iabview軟件編程建立了風(fēng)速及風(fēng)力機(jī)模型，根據(jù)模擬風(fēng)速作用于模擬風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)矩，將模擬轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩信號送給伺服控制器，伺服控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號控制伺服電動機(jī)輸出實(shí)際轉(zhuǎn)矩并驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，同時(shí)，伺服電機(jī)拖動同軸連接的多級永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電。編碼器將轉(zhuǎn)速信號接到伺服控制器，實(shí)驗(yàn)中如果出現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩不平衡而發(fā)生超速時(shí)，可起到超速保護(hù)作用。扭矩傳感器用于測量伺服電動機(jī)的扭矩。該模擬風(fēng)力機(jī)子系統(tǒng)也支持轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式，此時(shí)，伺服電動機(jī)輸出不再按轉(zhuǎn)矩控制，而是按轉(zhuǎn)速設(shè)定值將電機(jī)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。 本實(shí)用新型的發(fā)電控制子系統(tǒng)工作原理如圖3所示，電機(jī)側(cè)變頻器用來將多級永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。變頻控制器用來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)側(cè)變頻器與電網(wǎng)側(cè)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(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號經(jīng)IGBT晶體管驅(qū)動單元完成對兩側(cè)變頻器的控制。運(yùn)行時(shí)，通過電壓/電流傳感器對多級永磁發(fā)電機(jī)、變頻器及電網(wǎng)三相交流電壓及電流進(jìn)行檢測，通過轉(zhuǎn)速編碼器對轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，并輸入到DSP變頻控制器，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)三相交流輸出整流逆變控制，同時(shí)對電網(wǎng)側(cè)變頻器輸出電壓頻率、相位、幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)與電網(wǎng)電壓參數(shù)一致時(shí)，通過繼電器控制并網(wǎng)接觸器閉合實(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中電抗器起到抑制高次諧波的作用。本實(shí)用新型的發(fā)電與控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有IGBT保護(hù)電路，具有過電流及超溫保護(hù)功能，具體過程為當(dāng)IGBT出現(xiàn)過電流及超溫時(shí)，自動切斷驅(qū)動觸發(fā)脈沖到IGBT觸發(fā)端通道，起到保護(hù)IGBT晶體管的作用。本實(shí)用新型的主控制器采用ARM9系列PXA270嵌入式處理器，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)輸入功率與發(fā)電輸出功率的協(xié)調(diào)控制，內(nèi)容包括將發(fā)電功率信息及時(shí)送給風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)，通過對風(fēng)力機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對發(fā)電功率的調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電側(cè)故障需要減少發(fā)電功率時(shí)，及時(shí)向風(fēng)力機(jī)控制器下發(fā)變槳指令，減少輸入功率；完成整個(gè)機(jī)組的啟停、運(yùn)行、停機(jī)等控制操作；顯不存儲等相關(guān) 目息。本實(shí)用新型還包括轉(zhuǎn)矩傳感器，該傳感器兩端通過聯(lián)軸器與電動機(jī)和發(fā)電機(jī)連接，信號送給主控制器，作為風(fēng)力機(jī)功率參考信號。由伺服電動機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)構(gòu)成的機(jī)械傳動平臺，在旋轉(zhuǎn)軸兩端各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速編碼器，提供高精度轉(zhuǎn)速反饋信號，一個(gè)用于伺服電動機(jī)控制，一個(gè)用于永磁發(fā)電機(jī)控制，同時(shí)互為冗余，提高了系統(tǒng)可靠性。本實(shí)用新型系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)功率范圍0 IOKW連續(xù)可調(diào)；轉(zhuǎn)速范圍0 200轉(zhuǎn)/分連續(xù)可調(diào)；[0034]直流母線電壓DC230V電壓、電流測量精度5%。轉(zhuǎn)矩測量精度Z ±0. I % F · S轉(zhuǎn)速編碼器分辨率1024P/R伺服電機(jī)拖動功率15KW永磁發(fā)電機(jī)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(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器、電網(wǎng)側(cè)變頻器、變頻控制器和主控制器； 所述計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器順次連接；變頻控制器分別與主控制器、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器連接；主控制器和PLC控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是所述多級永磁發(fā)電機(jī)為16級永磁發(fā)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)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(quán)利要求I所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)用新型公開了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)用新型包括計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器、電網(wǎng)側(cè)變頻器、變頻控制器和主控制器；計(jì)算機(jī)、PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)、扭矩傳感器、多級永磁發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器順次連接；變頻控制器分別于主控制器、電機(jī)側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器連接；主控制器和PLC控制器連接。本實(shí)用新型滿足了風(fēng)力機(jī)從啟動到并網(wǎng)運(yùn)行的寬范圍調(diào)速要求，并可保證模擬輸出轉(zhuǎn)矩與模擬風(fēng)速成正比，使得模擬風(fēng)力機(jī)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性更一致；使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬風(fēng)力機(jī)特性更符合實(shí)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(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者呂躍剛, 高峰, 劉俊承, 肖運(yùn)啟, 田濤 申請人:華北電力大學(xué)