[發(fā)明專利]一種全工況風(fēng)力機(jī)模擬器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210324748.8
• 申請(qǐng)日: 2012-09-04
• 公開（公告）號(hào): CN102879199A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟巖峰;胡書舉;李旭;王玲玲;許洪華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院電工研究所
• 主分類號(hào): G01M15/00
• 分類號(hào): G01M15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)模擬器，特別涉及適用于雙饋式或直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的全工況風(fēng)力機(jī)模擬器。

背景技術(shù)

風(fēng)能作為一種可再生能源日益受到世界各國(guó)的廣泛重視，開發(fā)利用風(fēng)能，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，對(duì)于解決全球性的能源危機(jī)和環(huán)境污染具有重要的意義，目前世界上最主要的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是最優(yōu)化的技術(shù)，已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。

實(shí)驗(yàn)室的先期探索、研究驗(yàn)證對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。但是由于條件的限制，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室并不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境或者風(fēng)力機(jī)，這很不利于一些新理論和新技術(shù)的驗(yàn)證。為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，必須要進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)的研究。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。而風(fēng)力機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中就扮演著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的角色，故風(fēng)力機(jī)的模擬本質(zhì)上講就是能量或者轉(zhuǎn)矩的模擬。通過(guò)采取合適的控制策略，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)符合實(shí)際的風(fēng)力機(jī)特性，用其來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，達(dá)到模擬真實(shí)自然界中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作的效果。風(fēng)力機(jī)模擬器可以在不依賴于環(huán)境和風(fēng)力機(jī)的情況下模擬風(fēng)力機(jī)的特性，方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的研究開發(fā)測(cè)試。

現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)模擬器大部分采用變頻器驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路，如圖1所示，上位機(jī)系統(tǒng)計(jì)算輸出合適的轉(zhuǎn)矩指令，通過(guò)控制變頻器輸出不同的轉(zhuǎn)矩來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性，但是多集中在風(fēng)力機(jī)特性曲線的模擬、最大風(fēng)能捕獲實(shí)驗(yàn)等定性方面的研究，并不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)大功率機(jī)組輸出轉(zhuǎn)矩特性，也不能模擬風(fēng)力機(jī)全工況運(yùn)行特性；另外，現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)模擬器大多數(shù)風(fēng)速輸入均來(lái)自于風(fēng)速儀測(cè)量，且未集成變槳矩系統(tǒng)的模擬，這同樣也造成了實(shí)驗(yàn)的不方便以及模擬的準(zhǔn)確性較差，這就不能真實(shí)模擬實(shí)際風(fēng)電機(jī)組全工況運(yùn)行特性，從而影響了實(shí)驗(yàn)效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)模擬器僅能進(jìn)行定性方面研究，不能真實(shí)模擬實(shí)際自然環(huán)境中風(fēng)電機(jī)組全工況運(yùn)行特性的缺點(diǎn)，提供一種適用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的全工況風(fēng)力機(jī)模擬器。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)完全自然風(fēng)況風(fēng)速模擬，包括陣風(fēng)、基本風(fēng)、漸變風(fēng)、湍流等，同時(shí)也可設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)，完全再現(xiàn)自然界實(shí)際風(fēng)場(chǎng)真實(shí)風(fēng)況。本發(fā)明基于參數(shù)折算，通過(guò)轉(zhuǎn)矩修正，實(shí)現(xiàn)了小尺度風(fēng)力機(jī)模擬器模擬大功率風(fēng)力機(jī)的特性。本發(fā)明全工況風(fēng)力機(jī)模擬器應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的一個(gè)重要組成部分。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中除本發(fā)明全工況風(fēng)力機(jī)模擬器外，還包括風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)、變流器、發(fā)電機(jī)等。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以進(jìn)行風(fēng)電新技術(shù)研究開發(fā)及風(fēng)電機(jī)組功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本發(fā)明全工況風(fēng)力機(jī)模擬器主要包括三大部分：風(fēng)力機(jī)模擬器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、全工況風(fēng)力機(jī)特性模擬控制系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)模擬器機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)。

風(fēng)力機(jī)模擬器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置運(yùn)行初始參數(shù)，通過(guò)RS-232串口傳輸?shù)饺r風(fēng)力機(jī)特性模擬控制系統(tǒng)，經(jīng)全工況風(fēng)力機(jī)特性模擬控制系統(tǒng)運(yùn)算得到實(shí)時(shí)參考轉(zhuǎn)矩指令，所述的實(shí)時(shí)參考轉(zhuǎn)矩指令通過(guò)RS-485通訊接口傳輸?shù)斤L(fēng)力機(jī)模擬器機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)中的拖動(dòng)變頻器，所述的拖動(dòng)變頻器根據(jù)該實(shí)時(shí)參考轉(zhuǎn)矩指令控制拖動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，模擬風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性。

所述的風(fēng)力機(jī)模擬器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)及通訊模塊組成，實(shí)現(xiàn)功能主要包括全工況風(fēng)力機(jī)模擬器系統(tǒng)控制調(diào)度，風(fēng)力機(jī)模擬器參數(shù)設(shè)置，風(fēng)力機(jī)模擬器常規(guī)自然風(fēng)速模擬等。所述的全工況風(fēng)力機(jī)特性模擬控制系統(tǒng)包括PLC（可編程控制器）單元、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器、變槳矩系統(tǒng)模擬模塊及系統(tǒng)保護(hù)功能模塊。信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)換并輸入到所述的PLC單元，經(jīng)PLC單元處理，得到輸出參考轉(zhuǎn)矩指令。變槳矩系統(tǒng)模擬模塊及系統(tǒng)保護(hù)功能模擬模塊分別執(zhí)行風(fēng)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)發(fā)送的槳距角輸出指令和系統(tǒng)保護(hù)信號(hào)指令。所述的風(fēng)力機(jī)模擬器機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)由拖動(dòng)變頻器、拖動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成，拖動(dòng)變頻器與拖動(dòng)電機(jī)電氣連接，拖動(dòng)電機(jī)與聯(lián)軸器機(jī)械連接，聯(lián)軸器安裝在拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在聯(lián)軸器上。拖動(dòng)變頻器接收到全工況風(fēng)力機(jī)特性模擬控制系統(tǒng)輸出的參考轉(zhuǎn)矩指令后，控制拖動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明全工況風(fēng)力機(jī)模擬器模擬風(fēng)力機(jī)特性運(yùn)行包括以下步驟：

步驟1：首先風(fēng)力機(jī)模擬器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述的參數(shù)主要包括風(fēng)電場(chǎng)空氣密度、待測(cè)風(fēng)電機(jī)組類型、風(fēng)電機(jī)組額定功率、風(fēng)電機(jī)組輪轂高度、風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑及模擬時(shí)間尺度，讀入風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠家提供的額定功率曲線。風(fēng)力機(jī)模擬器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)待測(cè)風(fēng)電機(jī)組及環(huán)境參數(shù)自動(dòng)生成常規(guī)自然風(fēng)速曲線，供PLC單元實(shí)時(shí)讀取。