并網(wǎng)型風力發(fā)電機組模擬裝置設計方案

我國高校和科研院所大多不具備風場環(huán)境和風電機組，如采用物理模擬風場和工業(yè)級風電機組成本很高，不利于科研人員對新理論、新技術的驗證和測試，因此，設計配置風電機組模擬裝置及仿真系統(tǒng)是非常有效的方法。

直流電動機在輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關系方面與風力機很相似，都可以用一簇以轉(zhuǎn)速為自變量的曲線表示。改變風速，可以改變風力機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩；改變電樞端壓，可以改變直流電動機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩；由此可知：通過改變直流電動機的電樞電壓，模擬風速變化，可以使直流電動機按照風力機特性運行，實現(xiàn)風力機模擬?，F(xiàn)有風力機模擬系統(tǒng)設計方案中多采用直流電動機和交流電動機，個別還有采用同步電動機。本實驗裝置采用易于控制、調(diào)速和動態(tài)轉(zhuǎn)矩性能好的直流電動機方案。

風力機建模是整個風力機模擬控制系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)之一，風力機的數(shù)學模型如圖1所示。在圖1中，N為齒輪箱變速比，如果是直驅(qū)型風力發(fā)電機，相當于N=1。如果不對特定某一機型的風電機組進行研究，則風力機建模的關鍵是建立Cp（λ，β）數(shù)學關系。

根據(jù)確定的風力機模擬方案以及風力機數(shù)學模型的確定，風力機模擬系統(tǒng)的硬件主要包括他勵直流電動機、轉(zhuǎn)速測量裝置、直流調(diào)速器、控制器、監(jiān)控主機和人機界面六個部分。其硬件框圖見圖2。

他勵直流機作為風力機模擬的動力部分，與轉(zhuǎn)速測量裝置和風力發(fā)電機同軸連接。額定功率配置應該適中，主要考慮兩方面的因素，一方面由于在實驗室環(huán)境中使用，特別是用作學生實驗教學時，一個實驗室配置數(shù)量可能較多，從使用人員的安全性和實驗室本身電源功率的限制考慮，電機功率不宜太大，散熱性要好；另一方面如果原動機功率太小，那么實驗風力發(fā)電機的功率就更小，而發(fā)電機功率越小，電能質(zhì)量就變差，因此直流機功率也不能太小。

轉(zhuǎn)速測量裝置作為實驗機組的轉(zhuǎn)速信號檢測裝置，將轉(zhuǎn)速信號傳送給直流調(diào)速器和變流器，因此要求精度高，線性度好，抗干擾性強。

直流調(diào)速器作為直流電動機的驅(qū)動裝置，功率相對直流電動機有一定的裕量；控制功能上應具有轉(zhuǎn)速、電流（轉(zhuǎn)矩）雙閉環(huán)控制，根據(jù)確定的風力機模擬方案，調(diào)速器還應可以將轉(zhuǎn)速環(huán)旁路，單獨使用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制；此外還應具有完善的保護功能和通信功能

控制器采用西門子S7-200系列的CPU224XP主機，CPU224XP是西門子S7-200系列的新產(chǎn)品，結(jié)合風力模擬系統(tǒng)的實際需要進行配置。

低速永磁同步發(fā)電機的永磁體采用稀土材料，能使磁場的穩(wěn)定性增強，其設計參數(shù)如下：

額定功率：3kW，額定電壓：AC380V，額定電流：4.56A，額定頻率50Hz。

全功率風機變流器是全功率風力發(fā)電機組的重要組成部分，通過與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)風電機組輸出功率的變換和并網(wǎng)，其主要優(yōu)點如下：

首先，通過全功率風機變流器的控制作用，將不斷變化的風能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，保證風力發(fā)電機組穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運行；通過對發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制，實現(xiàn)最大功率輸出；

其次，與電機直接并網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng)相比，全功率風機變流器實現(xiàn)了發(fā)電機組與電網(wǎng)間的隔離，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的耦合問題得以解決，避免了因電網(wǎng)波動對發(fā)電機組穩(wěn)定運行所帶來的不利影響。

智能電量監(jiān)測儀監(jiān)測變流器網(wǎng)側(cè)電參數(shù)，并以通信方式將參數(shù)實時上傳至監(jiān)控主機，主要功能如下：

（1）測量三相電流，三相相/線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電量。

（2）2-31次諧波測量。

（3）四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無功電能（kVarh）。

（4）標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線方式。

（5）RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規(guī)約。

監(jiān)控主機作為風力機模擬系統(tǒng)監(jiān)控軟件的運行平臺，同時也是整個變速恒頻風力發(fā)電試驗系統(tǒng)的監(jiān)控主機，應具有豐富的通信接口，能與風力機模擬系統(tǒng)控制器、變流器構(gòu)建通信網(wǎng)絡；軟件包括兩個部分，一部分是監(jiān)控主機中運行的監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件基于力控ForceControl6.1監(jiān)控組態(tài)軟件設計；另一部分是PLC控制程序，在S7-200專用編程軟件STEP 7-Micro/WIN V4.0中設計；人機界面實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、各類型曲線和報表，各類控制參數(shù)也通過人機界面進行設置。

可選用工業(yè)平板電腦（IPPC)作為一種新型工業(yè)人機界面，兼具工控機和觸摸屏的優(yōu)點，支持Windows2000、WindowsXP等通用操作系統(tǒng)或WinCE等嵌入式操作系統(tǒng)，故完全滿足通用組態(tài)軟件和PLC編程軟件對PC機硬件和運行環(huán)境的要求。

風力發(fā)電技術的全方位快速發(fā)展推動了風力發(fā)電機組運行可靠性的增強，經(jīng)濟成本下降，同時也使各種新式風力發(fā)電機、功率變頻器、最大功率跟蹤（MPPT）算法、先進控制技術等都得到了廣泛的應用。

目前，世界上大中型風力發(fā)電系統(tǒng)主要有兩類：一類是恒速恒頻型，另一類是變速恒頻型。相比之下，變速型風力發(fā)電機具有不可比擬的優(yōu)勢，而其主流變槳變速恒頻風力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)方案主要有兩種：一種是升速齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機和雙饋變流器；另一種是無齒輪箱直接驅(qū)動低速永磁發(fā)電機和全功率變頻器。前者采用高速電機，體積小重量輕，雙饋變流器容量僅與電機轉(zhuǎn)差容量相關，效率高、價格低廉，缺點是升速齒輪箱價格貴，噪音大、易疲勞損壞；后者無齒輪箱，可靠性高，但采用低速永磁電機，體積大，造價高，變頻器需要全功率，成本提高。