一、建设目标

建设可供本科生完整了解和掌握大功率风力发电基本原理和并网接入技术，进行实验验证和设计的教学实验平台；建立满足教师和研究生科研需要的风力发电动态试验的科研平台；建立满足企业对风力发电系统学习、测试的公共服务平台。该平台具有技术先进、体系开放、可视性强、直观性好、功能多样、以及贴近工程实际的优点。

 

二、建设内容和实施方案

2.1 总体方案

 

整个风力发电动态模拟实验室系统框图如图1所示，由图可知，该系统主要包括网络控制系统、PLC主控系统、偏航变浆系统、风力机模拟系统、变流系统、检测系统、安全保护系统及触摸屏八大部分。以下各节依次对各子系统方案作具体阐述。

 

图1 风力发电动态模拟实验室系统框图

 

2.2 网络控制系统

 

1）           LABVIEW开发环境下开发包含基于风速模型的风能模拟以及风轮模型等，帮助师生掌握和开发包括风能特性以及风机基本工作原理，具有可视化、模型可选、参数可调等特点，可开展变桨控制、偏航控制等上机实验；

 

2）           可同时用于15人次(一人一台计算机)的实验教学工作，任意时刻实际风力发电动态模拟硬件平台只响应一台计算机的控制命令。

 

2.3 主控系统

 

采用西门子的S7-317 PLC作为主控制器，系统软件用程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对主程序进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有全面的保护功能和一定的智能性；人机界面友好、方便操作。主程序流程如图2所示。

 

图2 主程序流程图

 

2.4 偏航变浆系统

 

偏航变浆系统实验示意图如图3所示，其主要包括风轮模拟系统、S7-226 PLC控制器、变浆闭环控制和偏航闭环控制四个部分。

 

1）    风轮模拟系统。用电风扇转动吹风来模拟实际风场风速，自制的小型风标上安装有自制的风速传感器和风向传感器，分别测得电风扇所产生风的风速和风向；另外，为模拟实际桨叶的偏航和变浆运动，特采用如图3所示的转动平台的水平圆周运动来模拟偏航运动，位于转动平台中心的桨叶的水平圆周运动来模拟实际的变浆运动。实验效果表现为：当电风扇摇头时，转动平台始终保持与电风扇同步摇头；当电风扇风速档位由一档依次调到三档(设定风扇一档为低速，三档为高速)时，桨叶逐渐偏离最初的迎风面积最大的方向。

 

图3偏航变浆系统实验示意图

 

2）    S7-226 PLC控制器。该PLC控制器包括用于与主控制器S7-317 PLC进行通信的RS485通信接口、用于进行闭环控制算法计算的中央处理器CPU226模块、用于进行变浆闭环控制的1号EM253定位模块、用于进行偏航闭环控制的2号EM253定位模块。

 

3）    变浆闭环控制。首先根据测得的风速计算出当前的最佳浆距角β*，与实际的位置信号1，即实际浆距角β进行比较，进行闭环控制后经1号EM253定位模块发出脉冲信号，最后经1号V80驱动器驱动100W的伺服电机1带动桨叶作水平圆周运动，实现变浆的目的。

 

4）    偏航闭环控制。首先根据测得的风向计算出应跟踪的方位角α*，与实际的位置信号2，即实际电动转台的方位角α进行比较，进行闭环控制后经2号EM253定位模块发出脉冲信号，最后经2号V80驱动器驱动100W的伺服电机2带动电动转台作水平圆周运动，实现偏航的目的。

 

偏航变浆硬件清单如表1所示。

 

表1 偏航变浆硬件清单

 

名    称

 

规    格

 

厂  家

 

数 量

 

价 格

 

西门子S7-226 PLC

 

EM253控制模块

 

V80驱动器

 

100W伺服电机

 

(含光电码盘)

 

风标

 

电动转台

 

桨叶

 

风速传感器

 

风向传感器

 

2.5 风力机模拟系统

 

在风力发电系统的研究中广泛采用了风机模拟技术，以获得脱离自然风环境的可控实验平台。所谓风机模拟，主要模拟的对象是风力发电系统中的机械部分，也就是将风能转换为机械能的部分。而风机模拟的主要目的，是要在脱离自然风的环境下重现风力机在不同运行状态时的机械特性。风轮模拟拖动装置有两种方案：直流调速系统或者交流调速系统，以下将分别阐述此两种方案，并进行比较选择。

 

2.5.1 直流电机模拟方案

 

图4是基于直流电机的风机模拟系统示意图，具体原理为将真实风机的特性曲线转换成适合所使用直流电机功率大小的风机模型的特性曲线，然后构造一个转矩计算器，对直流电机转矩进行控制，从而实现直流电机对风机特性的模拟。

 

图4 基于直流电机的风机模拟系统示意图

 

由于风机模拟主要是控制直流电机输出转矩按照风机特性变化，而他励直流电机的转矩和电流成正比，因此直接控制电枢电流就可控制电机输出转矩按照期望规律变化。由直流电机数学模型可知：当保持直流电机励磁恒定时，直流电机的输出转矩与电枢电流成正比，因此要控制直流电机再现风力机的输出转矩，只需控制直流电机的电流既可。根据模拟方案的不同，当采用直接转矩控制模拟方案时，对直流电机采用单电流环控制。具体为：上位机直接将风速和风机特性数据传到DSP，而DSP通过实时计算，得到与当前转速对应的风机转矩，将转矩换算成对应的电枢电流，利用电流环调节器对电枢电流进行调节，即对直流电机进行单电流环控制，从而输出所需转矩，完成风机模拟。该转矩控制方案的控制框图如图5所示。

 

图5 转矩控制方案的控制框图

 

2.5.2 交流电机模拟方案

 

要使异步电机电磁转矩与风力机输出转矩相同可理解为使异步电机拖动一个与风机转矩相同的负载。因此，建立的模拟系统把风机的输出转矩加到电机负载端，另外据P＝Tω知二者转速也应保持一致。由于风力发电过程中，风力机接收到的风能是从风能低速轴，经齿轮箱升速，传递到发电机高速轴的，因此，异步电机反馈的转速需经齿轮箱传动比换算后，再送入风力机模型计算转矩。传动比为1时，便可用于模拟直驱型风力发电机组。根据以上分析，基于交流电机的风力机模拟系统的结构如图6所示。

 

图6 风力机模拟系统结构图

 

由图6可见：此方案基于交流电机的动态风机模拟系统主要由5.5kW变频器和5.5kW异步电动机组成。变频器通过串行通信接收来自PLC的转速指令驱动异步电机转动，从而拖动永磁同步发电机空载或并网发电运行。PLC作为动态风机模拟系统的控制器，其采集风速信号（亦可以产生风速），从光电编码盘获得电机转速与位置信息，经过相应的风机模拟器程序运算将电磁转矩指令输给矢量变频器TD3000，变频器通过控制输出定子电压控制异步电动机的电磁转矩，使得异步电动机能够为发电机提供类似于实际风机特性的机械转矩。原动机部分主要由三部分组成，一台2对极，额定转速为1500r/min，额定功率为5.5kW的笼型异步电动机；一块与变频器模拟信号给定相连的接口电路，其主要完成模拟系统控制器脉冲输出转矩信号的整形滤波与相关计算；一台爱默生（Emerson）公司变频器TD3000，按照转速给定进行电动机的转矩控制。原动机实为一个转矩控制的伺服系统，使得风机模拟器输出转矩具有实际驱动意义。原动机直接采用矢量变频器进行控制，主要是为了节约时间、突出重点，完成风机动态模拟任务。

 

2.6 变流器系统

 

2.6.1 总体硬件平台

 

当前主流的风力发电系统包括：（1）变速恒频直驱型永磁同步风力发电系统；（2）变速恒频双馈感应（DFIG）风力发电系统。如图7所示，DFIG风力发电系统采用1/3部分功率电力电子接口具有成本较低、体积较小但效率略低且需要变速箱（维护成本高）的特点，目前应用最为广泛；而直驱永磁风力发电系统采用全功率电力电子接口、无需变速箱、运行范围宽以及效率较高等优点，发展迅速，应用较广，是近海大型风电机组的发展趋势，如图8所示，本实验室拟构建基于上述两种主流风力发电技术的实验平台。

 

为了加快实验室的建设，早日并更好地为师生教学和科研服务，将分步予以实施：

 

第一步，构建变速恒频直驱型永磁同步电机风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的直驱型风力发电系统的动态模拟实验条件，能满足相关教学和科研的要求。

 

第二步，构建变速恒频双馈感应风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的双馈型风力发电系统的动态模拟实验条件，满足相关教学和科研的要求。