基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验方法
【专利摘要】本发明提供一种基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。本发明提让实验人员能够更加深入的了解风力发电的相关原理及相关的控制技术，以便做进一步的研究。
【专利说明】基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于风力发电的高教仪器设备领域。用于永磁同步和鼠笼异步两大风力发 电机组的实验和教学，可对整机关键部件和风力发电系统进行实验。
【背景技术】：
[0002] 前期的风力发电机大多为鼠笼异步风力发电机，具有结构简单、价格低廉、维护方 便、转速变化范围大等优点，适合于初期风力发电的开发与应用。而目前大型风力发电机 组中市场占有率最高的三种发电机型式为双馈感应发电机、永磁同步发电机和电励磁同步 发电机。由于永磁发电机具有发电效率高、可靠性能好、运行成本低和电网接入性能好等优 点，使得近些年永磁风力发电机在风电领域快速发展。要进行风力发电的研究，最理想的方 法是进行试验。但受设备体积庞大、现场环境恶劣等因素的影响，不能对风力发电系统进行 现场试验。因此，构建鼠笼异步和永磁同步的实验室能量转换动模实验台意义重大，通过能 量转换动模实验台来模拟实际风力机的工作特性，利用风力机的模拟特性进行风力发电技 术的相关研究。使研究人员在了解早期的鼠笼异步风力发电技术基础上更好的研究永磁同 步风力发电技术。
[0003] 随着越来越多的大功率永磁风力发电机的并入电网，使得电网电能质量受到影 响。风电的电能质量问题及其解决措施逐渐成为当前风力发电技术的研究热点。要对电网 的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水 平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。因此，构建 具有电能质量检测与分析的能量转换动模实验台具有重要意义。
[0004] 到目前为止，国内有一些关于风力发电实验台的相关研究。但这些设备及方法并 不能双向流动试验。也不能对风力发电的电能质量做检测分析。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明提供了一种基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验 方法，其目的是解决以往的试验台功能单一，实验利用率不高的问题。
[0006] 技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0007] 基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测 风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步 电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关 柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜 共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC 控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。
[0008] 每个全功率变流器上还各自连接有chopper，每一个并网开关柜与馈电柜之间还 连接有波形示波仪、功率测试仪和电能质量分析仪。
[0009] 鼠笼异步电机和永磁同步发电机之间还设置有转速转矩测量单元。
[0010] 测风塔与PC机之间通过Profibus进行通信，P C机与PLC之间通过以太网协议进 行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为 Profibus 〇 toon] 一种基于上述的永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在 于：该方法实现两套发电系统，同时实现对应的发电模式的控制，一种是鼠笼异步电机作为 拖动电机拖动永磁同步电机运行发电，永磁同步电机发出的电经过全功率变流器流入馈电 柜；另一种是永磁同步电机作为拖动电机，鼠笼异步电机作为发电机发电，定子发出的电经 过全功率变流器流入馈电柜，具体方法如下：
[0012] (1)利用测风塔测风，然后将实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后 的数据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标 准差检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述 数据库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电 场出力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时 对风电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面 通过人机界面显示；
[0013] (2)当实验操作人员需要选择永磁同步电机发电时，在PC机操作界面中选择该方 案，然后利用PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制 柜再分别永磁和异步机的全功率变流器发出相应的工作指令，变频器根据PC中实测或预 置风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变永磁同步电机转速，同时 转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到 PC机，以对其转速进行实时控制，对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所 测转速和永磁电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网；
[0014] 而当实验操作人员需要选择鼠笼异步电机发电时，利用PC机操作界面中选择该 方案，然后通过PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC 控制柜再分别向永磁同步电机和鼠笼异步电机的全功率变流器中发出相应的工作指令，此 时，永磁同步电机作为拖动电机，通过全功率变流器对其进行定子磁链定向的矢量控制，全 功率变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制永磁同步电机的转速，从而改 变异步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器，永磁同步电机旋转的 同时，转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别 反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检 测和分析，另外可以根据这些所测转速和永磁电机定子发出的电的相序、电压、频率判断能 否并网。
[0015] 在上诉两个方案中，拖动机进行风功率模拟时所依据的方法如下；
【权利要求】
1. 基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测风 塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电 机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜， 永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同 连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制 柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。
2. 根据权利要求1所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于： 每个全功率变流器上还各自连接有chopper，每一个并网开关柜与馈电柜之间还连接有波 形示波仪、功率测试仪和电能质量分析仪。
3. 根据权利要求1或2所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在 于：鼠笼异步电机和永磁同步发电机之间还设置有转速转矩测量单元。
4. 根据权利要求3所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于： 测风塔与PC机之间通过Profibus进行通信，P C机与PLC之间通过以太网协议进行通信， PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为Profibus。
5. -种基于权利要求1所述的永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其 特征在于：该方法实现两套发电系统，同时实现对应的发电模式的控制，一种是鼠笼异步电 机作为拖动电机拖动永磁同步电机运行发电，永磁同步电机发出的电经过全功率变流器流 入馈电柜；另一种是永磁同步电机作为拖动电机，鼠笼异步电机作为发电机发电，定子发出 的电经过全功率变流器流入馈电柜，具体方法如下： (1) 利用测风塔测风，然后将实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后的数 据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标准差 检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述数据 库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电场出 力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时对风 电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面通过 人机界面显示； (2) 当实验操作人员需要选择永磁同步电机发电时，在PC机操作界面中选择该方案， 然后利用PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜 再分别永磁和异步机的全功率变流器发出相应的工作指令，变频器根据PC中实测或预置 风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变永磁同步电机转速，同时转 速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC 机，以对其转速进行实时控制，对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所测 转速和永磁电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网； 而当实验操作人员需要选择鼠笼异步电机发电时，利用PC机操作界面中选择该方案， 然后通过PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜 再分别向永磁同步电机和鼠笼异步电机的全功率变流器中发出相应的工作指令，此时，永 磁同步电机作为拖动电机，通过全功率变流器对其进行定子磁链定向的矢量控制，全功率 变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制永磁同步电机的转速，从而改变异 步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器，永磁同步电机旋转的同时， 转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈 到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检测和 分析，另外可以根据这些所测转速和永磁电机定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并 网。
6. 根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其 特征在于： 在上诉两个方案中，拖动机进行风功率模拟时所依据的方法如下；
(1) (2) 式（1)、（2)即为风力机的数学模型，其中，P为空气密度，kg/m3;A为流过风轮的气流 截面积，m2 ;v为风速，m/s ; λ为叶尖速比；为风轮的机械角速度，rad/s ;R为风轮半径， m;PM为风机捕获的机械功率，W;TM为风力机的机械转矩，N-m;CpU，β)为风能利用系数， β为桨距角，其可用下述函数表示
(3) 令
为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风 速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这 3个值进行比较，切入风速之前设置β为0,当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能 追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为η/2。
7. 根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其 特征在于：在进行风力发电实验之前，首先检查相序是否满足并网条件，检测方法如下： 将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间，并网方法为：①通过调 节全功率变流器来改变发电机的输出电压，使输出电压与电网电压的幅值、频率和相位相 同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则 说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序，必须停止拖动系统等到发电机转速为 零，可以断开S2和S3隔离开关之后调整定子相序实现，严格保证相序一致；③在上述两个 步骤完成后，调节发电机侧的全功率变流器，使发电机输出端的频率和电网频率相同；当三 只灯泡明暗交替变化十分缓慢时，说明发电机侧频率和电网电压频率十分接近，这时等待 灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关；这里我们引入三相同步发电机直接并网的 检测方法来让学生了解同步化的过程，实际的手动合闸指令通过开关给变流下命令；同时 防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。
8. 根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其 特征在于：永磁同步电机或鼠笼异步电机作为发电机时的变流器控制策略如下：有功功率 指令与实际的有功功率pg的差值经PI调节器输出电流给定指令ζ，给定电流指令与实 际的电流isq比较后的差值经过ΡΙ调节器输出电压给定值〃i，然后经过坐标变换产生PWM 的控制指令。d轴给定电流?与实际的d轴实际电流isd比较后的差值经PI调节器输出d 轴电压给定值，然后经过坐标变换产生PWM的控制指令；全功率变流器的机侧采用双闭 环控制方法，功率环作为外环，电流环作为内环；网侧变流器采用双闭环控制，外环为直流 电压和无功功率控制环，主要作用是稳定直流侧电压，内环为电流环，主要作用是设定无功 电流指令igq以实现快速的电流跟踪；无功功率经测算得出4的给定电流，与实际电流i gq 进行比较，差值通过PI调节转换为电压给定指令w;，然后经过坐标变换产生PWM的控制指 令，直流侧电压《1.的给定值与实际值u d。的差值经PI调节器输出电流指令&，与实际电流 igd的差值经PI调节器输出电压给定指令<d，然后经过坐标变换产生PWM的控制指令，其 中原理方法如下：
为永磁同步电机的永磁体励磁磁链；Pg, Qg为电网有功功率和无功功率；uga,、ugb,、 ugc，分别为三相电网电压；uga、ugb、ug。分别为三相电网侧变流器电压；i ga、igb、ig。为三相电 网侧变流器电流；R、L为电网侧电抗器的电阻和电感；i gd、igq、ugd,、为电网电流和电压在dq 轴的分量；ugd、ugq分别为网侧变流器在dq轴的分量；ω g为电网电压电角速度；为转子 角速度；isd、is(i、u sd、us(1机侧电流电压在dq轴的分量。
9.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其 特征在于：该实验台中的永磁同步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：永磁同步电 机采用基于定子磁场定向的矢量控制策略，系统包括速度控制环和位置控制环。
(8) 式中：Pn为极对数；S为空间电度角；Vs为定子磁链矢量，其他符号与上述相同。
10.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法， 其特征在于：该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：鼠笼异步 电机采用基于气隙磁场定向的矢量控制策略，系统采用速度闭环控制，其特点是矢量控制 系统简单，气隙磁通易于检测，用以处理和控制磁路饱和，转矩调节器是PI调节器，提供了 转矩参考值<，经变换后得到电流分量参考值$。
式中：P为微分算子；?；。为转子漏磁时间常数；?；为转子时间常数；pn为极对数；其他 符号与上述相同。
【文档编号】G09B23/18GK104091501SQ201310307493
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年7月22日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】黄旭, 杨俊友, 朱钰, 邢作霞, 刘劲松, 王刚, 姜立兵, 田艳丰, 李欣 申请人:国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院, 沈阳工业大学, 东北电力科学研究院有限公司, 国家电网公司