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

作者: 時(shí)間:2012-04-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706.htm

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我國高校和科研院所大多不具備風(fēng)場環(huán)境和風(fēng)電,如采用物理模擬風(fēng)場和工業(yè)級風(fēng)電成本很高,不利于科研人員對新理論、新技術(shù)的驗(yàn)證和測試,因此,設(shè)計(jì)配置風(fēng)電及仿真系統(tǒng)是非常有效的方法。

直流電動機(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,可以改變直流電動機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩;由此可知:通過改變直流電動機(jī)的電樞電壓,模擬風(fēng)速變化,可以使直流電動機(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機(jī)和交流電動機(jī),個(gè)別還有采用同步電動機(jī)。本實(shí)驗(yàn)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(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)型機(jī),相當(dāng)于N=1。如果不對特定某一機(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直流電動機(jī)、轉(zhuǎn)速測量裝置、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。

他勵直流機(jī)作為風(fēng)力機(jī)模擬的動力部分,與轉(zhuǎn)速測量裝置和機(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;另一方面如果原動機(jī)功率太小,那么實(shí)驗(yàn)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)速測量裝置作為實(shí)驗(yàn)機(jī)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(qiáng)。

直流調(diào)速器作為直流電動機(jī)的驅(qū)動裝置,功率相對直流電動機(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;通過對發(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)頻率之間的耦合問題得以解決,避免了因電網(wǎng)波動對發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)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(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控主機(jī),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(jì)量:±有功電能(kWh),±無功電能(kVarh)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)作為風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)監(jiān)控軟件的運(yùn)行平臺,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,而其主流變槳變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)和雙饋?zhàn)兞髌鳎涣硪环N是無齒輪箱直接驅(qū)動低速永磁發(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。

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