一、建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)可供本科生完整了解和掌握大功率風(fēng)力發(fā)電基本原理和并網(wǎng)接入技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；建立滿(mǎn)足教師和研究生科研需要的風(fēng)力發(fā)電動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的科研平臺(tái)；建立滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)學(xué)習(xí)、測(cè)試的公共服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)具有技術(shù)、體系開(kāi)放、可視性強(qiáng)、直觀(guān)性好、功能多樣、以及貼近工程實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)。

 

二、建設(shè)內(nèi)容和實(shí)施方案

2.1 總體方案

 

整個(gè)風(fēng)力發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框圖如圖1所示，由圖可知，該系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、PLC主控系統(tǒng)、偏航變漿系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)及觸摸屏八大部分。以下各節(jié)依次對(duì)各子系統(tǒng)方案作具體闡述。

 

圖1 風(fēng)力發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框圖

 

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

 

1）           LABVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)包含基于風(fēng)速模型的風(fēng)能模擬以及風(fēng)輪模型等，幫助師生掌握和開(kāi)發(fā)包括風(fēng)能特性以及風(fēng)機(jī)基本工作原理，具有可視化、模型可選、參數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)，可開(kāi)展變槳控制、偏航控制等上機(jī)實(shí)驗(yàn)；

 

2）           可同時(shí)用于15人次(一人一臺(tái)計(jì)算機(jī))的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，任意時(shí)刻實(shí)際風(fēng)力發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬硬件平臺(tái)只響應(yīng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的控制命令。

 

2.3 主控系統(tǒng)

 

采用西門(mén)子的S7-317 PLC作為主控制器，系統(tǒng)軟件用程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)主程序進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有全面的保護(hù)功能和一定的智能性；人機(jī)界面友好、方便操作。主程序流程如圖2所示。

 

圖2 主程序流程圖

 

2.4 偏航變漿系統(tǒng)

 

偏航變漿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示，其主要包括風(fēng)輪模擬系統(tǒng)、S7-226 PLC控制器、變漿閉環(huán)控制和偏航閉環(huán)控制四個(gè)部分。

 

1）    風(fēng)輪模擬系統(tǒng)。用電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)吹風(fēng)來(lái)模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，自制的小型風(fēng)標(biāo)上安裝有自制的風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器，分別測(cè)得電風(fēng)扇所產(chǎn)生風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向；另外，為模擬實(shí)際槳葉的偏航和變漿運(yùn)動(dòng)，特采用如圖3所示的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的水平圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬偏航運(yùn)動(dòng)，位于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)中心的槳葉的水平圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬實(shí)際的變漿運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)效果表現(xiàn)為：當(dāng)電風(fēng)扇搖頭時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)始終保持與電風(fēng)扇同步搖頭；當(dāng)電風(fēng)扇風(fēng)速檔位由一檔依次調(diào)到三檔(設(shè)定風(fēng)扇一檔為低速，三檔為高速)時(shí)，槳葉逐漸偏離最初的迎風(fēng)面積的方向。

 

圖3偏航變漿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖

 

2）    S7-226 PLC控制器。該P(yáng)LC控制器包括用于與主控制器S7-317 PLC進(jìn)行通信的RS485通信接口、用于進(jìn)行閉環(huán)控制算法計(jì)算的處理器CPU226模塊、用于進(jìn)行變漿閉環(huán)控制的1號(hào)EM253定位模塊、用于進(jìn)行偏航閉環(huán)控制的2號(hào)EM253定位模塊。

 

3）    變漿閉環(huán)控制。首先根據(jù)測(cè)得的風(fēng)速計(jì)算出當(dāng)前的漿距角β*，與實(shí)際的位置信號(hào)1，即實(shí)際漿距角β進(jìn)行比較，進(jìn)行閉環(huán)控制后經(jīng)1號(hào)EM253定位模塊發(fā)出脈沖信號(hào)，最后經(jīng)1號(hào)V80驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)100W的伺服電機(jī)1帶動(dòng)槳葉作水平圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變漿的目的。

 

4）    偏航閉環(huán)控制。首先根據(jù)測(cè)得的風(fēng)向計(jì)算出應(yīng)跟蹤的方位角α*，與實(shí)際的位置信號(hào)2，即實(shí)際電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角α進(jìn)行比較，進(jìn)行閉環(huán)控制后經(jīng)2號(hào)EM253定位模塊發(fā)出脈沖信號(hào)，最后經(jīng)2號(hào)V80驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)100W的伺服電機(jī)2帶動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)作水平圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航的目的。

 

偏航變漿硬件清單如表1所示。

 

表1 偏航變漿硬件清單

 

名    稱(chēng)

 

規(guī)    格

 

廠(chǎng)  家

 

數(shù) 量

 

價(jià) 格

 

西門(mén)子S7-226 PLC

 

EM253控制模塊

 

V80驅(qū)動(dòng)器

 

100W伺服電機(jī)

 

(含光電碼盤(pán))

 

風(fēng)標(biāo)

 

電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)

 

槳葉

 

風(fēng)速傳感器

 

風(fēng)向傳感器

 

2.5 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)

 

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究中廣泛采用了風(fēng)機(jī)模擬技術(shù)，以獲得脫離自然風(fēng)環(huán)境的可控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。所謂風(fēng)機(jī)模擬，主要模擬的對(duì)象是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)械部分，也就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部分。而風(fēng)機(jī)模擬的主要目的，是要在脫離自然風(fēng)的環(huán)境下重現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的機(jī)械特性。風(fēng)輪模擬拖動(dòng)裝置有兩種方案：直流調(diào)速系統(tǒng)或者交流調(diào)速系統(tǒng)，以下將分別闡述此兩種方案，并進(jìn)行比較選擇。

 

2.5.1 直流電機(jī)模擬方案

 

圖4是基于直流電機(jī)的風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)示意圖，具體原理為將真實(shí)風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成適合所使用直流電機(jī)功率大小的風(fēng)機(jī)模型的特性曲線(xiàn)，然后構(gòu)造一個(gè)轉(zhuǎn)矩計(jì)算器，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)特性的模擬。

 

圖4 基于直流電機(jī)的風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)示意圖

 

由于風(fēng)機(jī)模擬主要是控制直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩按照風(fēng)機(jī)特性變化，而他勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流成正比，因此直接控制電樞電流就可控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩按照期望規(guī)律變化。由直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知：當(dāng)保持直流電機(jī)勵(lì)磁恒定時(shí)，直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，因此要控制直流電機(jī)再現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，只需控制直流電機(jī)的電流既可。根據(jù)模擬方案的不同，當(dāng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制模擬方案時(shí)，對(duì)直流電機(jī)采用單電流環(huán)控制。具體為：上位機(jī)直接將風(fēng)速和風(fēng)機(jī)特性數(shù)據(jù)傳到DSP，而DSP通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算，得到與當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成對(duì)應(yīng)的電樞電流，利用電流環(huán)調(diào)節(jié)器對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，即對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行單電流環(huán)控制，從而輸出所需轉(zhuǎn)矩，完成風(fēng)機(jī)模擬。該轉(zhuǎn)矩控制方案的控制框圖如圖5所示。

 

圖5 轉(zhuǎn)矩控制方案的控制框圖

 

2.5.2 交流電機(jī)模擬方案

 

要使異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同可理解為使異步電機(jī)拖動(dòng)一個(gè)與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩相同的負(fù)載。因此，建立的模擬系統(tǒng)把風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩加到電機(jī)負(fù)載端，另外據(jù)P＝Tω知二者轉(zhuǎn)速也應(yīng)保持一致。由于風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)接收到的風(fēng)能是從風(fēng)能低速軸，經(jīng)齒輪箱升速，傳遞到發(fā)電機(jī)高速軸的，因此，異步電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速需經(jīng)齒輪箱傳動(dòng)比換算后，再送入風(fēng)力機(jī)模型計(jì)算轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)比為1時(shí)，便可用于模擬直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。根據(jù)以上分析，基于交流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 

圖6 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

由圖6可見(jiàn)：此方案基于交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)主要由5.5kW變頻器和5.5kW異步電動(dòng)機(jī)組成。變頻器通過(guò)串行通信接收來(lái)自PLC的轉(zhuǎn)速指令驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)空載或并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行。PLC作為動(dòng)態(tài)風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)的控制器，其采集風(fēng)速信號(hào)（亦可以產(chǎn)生風(fēng)速），從光電編碼盤(pán)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速與位置信息，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)模擬器程序運(yùn)算將電磁轉(zhuǎn)矩指令輸給矢量變頻器TD3000，變頻器通過(guò)控制輸出定子電壓控制異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使得異步電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)提供類(lèi)似于實(shí)際風(fēng)機(jī)特性的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。原動(dòng)機(jī)部分主要由三部分組成，一臺(tái)2對(duì)極，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為5.5kW的籠型異步電動(dòng)機(jī)；一塊與變頻器模擬信號(hào)給定相連的接口電路，其主要完成模擬系統(tǒng)控制器脈沖輸出轉(zhuǎn)矩信號(hào)的整形濾波與相關(guān)計(jì)算；一臺(tái)愛(ài)默生（Emerson）公司變頻器TD3000，按照轉(zhuǎn)速給定進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。原動(dòng)機(jī)實(shí)為一個(gè)轉(zhuǎn)矩控制的伺服系統(tǒng)，使得風(fēng)機(jī)模擬器輸出轉(zhuǎn)矩具有實(shí)際驅(qū)動(dòng)意義。原動(dòng)機(jī)直接采用矢量變頻器進(jìn)行控制，主要是為了節(jié)約時(shí)間、突出重點(diǎn)，完成風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)模擬任務(wù)。

 

2.6 變流器系統(tǒng)

 

2.6.1 總體硬件平臺(tái)

 

當(dāng)前主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括：（1）變速恒頻直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；（2）變速恒頻雙饋感應(yīng)（DFIG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。如圖7所示，DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用1/3部分功率電力電子接口具有成本較低、體積較小但效率略低且需要變速箱（維護(hù)成本高）的特點(diǎn)，目前應(yīng)用廣泛；而直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用全功率電力電子接口、無(wú)需變速箱、運(yùn)行范圍寬以及效率較高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展迅速，應(yīng)用較廣，是近海大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)，如圖8所示，本實(shí)驗(yàn)室擬構(gòu)建基于上述兩種主流風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

 

為了加快實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，早日并更好地為師生教學(xué)和科研服務(wù)，將分步予以實(shí)施：

 

步，構(gòu)建變速恒頻直驅(qū)型永磁同步電機(jī)風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)，將能夠提供完整的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)條件，能滿(mǎn)足相關(guān)教學(xué)和科研的要求。

 

第二步，構(gòu)建變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)，將能夠提供完整的雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)條件，滿(mǎn)足相關(guān)教學(xué)和科研的要求。