并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬裝置設(shè)計(jì)方案

我國(guó)高校和科研院所大多不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境和風(fēng)電機(jī)組，如采用物理模擬風(fēng)場(chǎng)和工業(yè)級(jí)風(fēng)電機(jī)組成本很高，不利于科研人員對(duì)新理論、新技術(shù)的驗(yàn)證和測(cè)試，因此，設(shè)計(jì)配置風(fēng)電機(jī)組模擬裝置及仿真系統(tǒng)是非常有效的方法。

直流電動(dòng)機(jī)在輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系方面與風(fēng)力機(jī)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(fēng)速，可以改變風(fēng)力機(jī)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(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩；由此可知：通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，模擬風(fēng)速變化，可以使直流電動(dòng)機(jī)按照風(fēng)力機(jī)特性運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬。現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中多采用直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，個(gè)別還有采用同步電動(dòng)機(jī)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用易于控制、調(diào)速和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩性能好的直流電動(dòng)機(jī)方案。

風(fēng)力機(jī)建模是整個(gè)風(fēng)力機(jī)模擬控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，相當(dāng)于N=1。如果不對(duì)特定某一機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行研究，則風(fēng)力機(jī)建模的關(guān)鍵是建立Cp（λ，β）數(shù)學(xué)關(guān)系。

根據(jù)確定的風(fēng)力機(jī)模擬方案以及風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型的確定，風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的硬件主要包括他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置、直流調(diào)速器、控制器、監(jiān)控主機(jī)和人機(jī)界面六個(gè)部分。其硬件框圖見圖2。

他勵(lì)直流機(jī)作為風(fēng)力機(jī)模擬的動(dòng)力部分，與轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和風(fēng)力發(fā)電機(jī)同軸連接。額定功率配置應(yīng)該適中，主要考慮兩方面的因素，一方面由于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用，特別是用作學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室配置數(shù)量可能較多，從使用人員的安全性和實(shí)驗(yàn)室本身電源功率的限制考慮，電機(jī)功率不宜太大，散熱性要好；另一方面如果原動(dòng)機(jī)功率太小，那么實(shí)驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率就更小，而發(fā)電機(jī)功率越小，電能質(zhì)量就變差，因此直流機(jī)功率也不能太小。

轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置作為實(shí)驗(yàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)裝置，將轉(zhuǎn)速信號(hào)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(qiáng)。

直流調(diào)速器作為直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，功率相對(duì)直流電動(dòng)機(jī)有一定的裕量；控制功能上應(yīng)具有轉(zhuǎn)速、電流（轉(zhuǎn)矩）雙閉環(huán)控制，根據(jù)確定的風(fēng)力機(jī)模擬方案，調(diào)速器還應(yīng)可以將轉(zhuǎn)速環(huán)旁路，單獨(dú)使用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制；此外還應(yīng)具有完善的保護(hù)功能和通信功能

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

低速永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁體采用稀土材料，能使磁場(chǎng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，其設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)變流器是全功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，通過(guò)與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的變換和并網(wǎng)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

首先，通過(guò)全功率風(fēng)機(jī)變流器的控制作用，將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運(yùn)行；通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出；

其次，與電機(jī)直接并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，全功率風(fēng)機(jī)變流器實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間的隔離，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的耦合問(wèn)題得以解決，避免了因電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所帶來(lái)的不利影響。

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

（1）測(cè)量三相電流，三相相/線電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等電量。

（2）2-31次諧波測(cè)量。

（3）四象限電能計(jì)量：±有功電能（kWh），±無(wú)功電能（kVarh）。

（4）標(biāo)準(zhǔn)PT、CT輸入，適用于各種電壓等級(jí)及接線方式。

（5）RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規(guī)約。

監(jiān)控主機(jī)作為風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)監(jiān)控軟件的運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)也是整個(gè)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)，應(yīng)具有豐富的通信接口，能與風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)控制器、變流器構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)；軟件包括兩個(gè)部分，一部分是監(jiān)控主機(jī)中運(yùn)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(shè)計(jì)；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(shè)計(jì)；人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、各類型曲線和報(bào)表，各類控制參數(shù)也通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置。

可選用工業(yè)平板電腦（IPPC)作為一種新型工業(yè)人機(jī)界面，兼具工控機(jī)和觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)PC機(jī)硬件和運(yùn)行環(huán)境的要求。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的全方位快速發(fā)展推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性的增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)成本下降，同時(shí)也使各種新式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率變頻器、最大功率跟蹤（MPPT）算法、先進(jìn)控制技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，世界上大中型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，而其主流變槳變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(jī)和雙饋?zhàn)兞髌?；另一種是無(wú)齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)和全功率變頻器。前者采用高速電機(jī)，體積小重量輕，雙饋?zhàn)兞髌魅萘績(jī)H與電機(jī)轉(zhuǎn)差容量相關(guān)，效率高、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是升速齒輪箱價(jià)格貴，噪音大、易疲勞損壞；后者無(wú)齒輪箱，可靠性高，但采用低速永磁電機(jī)，體積大，造價(jià)高，變頻器需要全功率，成本提高。