并网型风力发电机组模拟装置设计方案

我国高校和科研院所大多不具备风场环境和风电机组，如采用物理模拟风场和工业级风电机组成本很高，不利于科研人员对新理论、新技术的验证和测试，因此，设计配置风电机组模拟装置及仿真系统是非常有效的方法。

直流电动机在输出功率、输出转矩和转速的关系方面与风力机很相似，都可以用一簇以转速为自变量的曲线表示。改变风速，可以改变风力机的输出功率和输出转矩；改变电枢端压，可以改变直流电动机的输出功率和输出转矩；由此可知：通过改变直流电动机的电枢电压，模拟风速变化，可以使直流电动机按照风力机特性运行，实现风力机模拟。现有风力机模拟系统设计方案中多采用直流电动机和交流电动机，个别还有采用同步电动机。本实验装置采用易于控制、调速和动态转矩性能好的直流电动机方案。

风力机建模是整个风力机模拟控制系统的关键环节之一，风力机的数学模型如图1所示。在图1中，N为齿轮箱变速比，如果是直驱型风力发电机，相当于N=1。如果不对特定某一机型的风电机组进行研究，则风力机建模的关键是建立Cp（λ，β）数学关系。

根据确定的风力机模拟方案以及风力机数学模型的确定，风力机模拟系统的硬件主要包括他励直流电动机、转速测量装置、直流调速器、控制器、监控主机和人机界面六个部分。其硬件框图见图2。

他励直流机作为风力机模拟的动力部分，与转速测量装置和风力发电机同轴连接。额定功率配置应该适中，主要考虑两方面的因素，一方面由于在实验室环境中使用，特别是用作学生实验教学时，一个实验室配置数量可能较多，从使用人员的安全性和实验室本身电源功率的限制考虑，电机功率不宜太大，散热性要好；另一方面如果原动机功率太小，那么实验风力发电机的功率就更小，而发电机功率越小，电能质量就变差，因此直流机功率也不能太小。

转速测量装置作为实验机组的转速信号检测装置，将转速信号传送给直流调速器和变流器，因此要求精度高，线性度好，抗干扰性强。

直流调速器作为直流电动机的驱动装置，功率相对直流电动机有一定的裕量；控制功能上应具有转速、电流（转矩）双闭环控制，根据确定的风力机模拟方案，调速器还应可以将转速环旁路，单独使用转矩闭环控制；此外还应具有完善的保护功能和通信功能

控制器采用西门子S7-200系列的CPU224XP主机，CPU224XP是西门子S7-200系列的新产品，结合风力模拟系统的实际需要进行配置。

低速永磁同步发电机的永磁体采用稀土材料，能使磁场的稳定性增强，其设计参数如下：

额定功率：3kW，额定电压：AC380V，额定电流：4.56A，额定频率50Hz。

全功率风机变流器是全功率风力发电机组的重要组成部分，通过与系统的协调工作，实现风电机组输出功率的变换和并网，其主要优点如下：

首先，通过全功率风机变流器的控制作用，将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电馈入电网，保证风力发电机组稳定可靠地并网运行；通过对发电机输出转矩的控制，实现最大功率输出；

其次，与电机直接并网的风力发电系统相比，全功率风机变流器实现了发电机组与电网间的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题得以解决，避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不利影响。

智能电量监测仪监测变流器网侧电参数，并以通信方式将参数实时上传至监控主机，主要功能如下：

（1）测量三相电流，三相相/线电压、有功功率、无功功率、功率因数等电量。

（2）2-31次谐波测量。

（3）四象限电能计量：±有功电能（kWh），±无功电能（kVarh）。

（4）标准PT、CT输入，适用于各种电压等级及接线方式。

（5）RS-485通讯接口，Modbus RTU通讯规约。

监控主机作为风力机模拟系统监控软件的运行平台，同时也是整个变速恒频风力发电试验系统的监控主机，应具有丰富的通信接口，能与风力机模拟系统控制器、变流器构建通信网络；软件包括两个部分，一部分是监控主机中运行的监控软件，监控软件基于力控ForceControl6.1监控组态软件设计；另一部分是PLC控制程序，在S7-200专用编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0中设计；人机界面实时显示系统运行状态、各类型曲线和报表，各类控制参数也通过人机界面进行设置。

可选用工业平板电脑（IPPC)作为一种新型工业人机界面，兼具工控机和触摸屏的优点，支持Windows2000、WindowsXP等通用操作系统或WinCE等嵌入式操作系统，故完全满足通用组态软件和PLC编程软件对PC机硬件和运行环境的要求。

风力发电技术的全方位快速发展推动了风力发电机组运行可靠性的增强，经济成本下降，同时也使各种新式风力发电机、功率变频器、最大功率跟踪（MPPT）算法、先进控制技术等都得到了广泛的应用。

目前，世界上大中型风力发电系统主要有两类：一类是恒速恒频型，另一类是变速恒频型。相比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势，而其主流变桨变速恒频风力发电机组的动力驱动系统方案主要有两种：一种是升速齿轮箱、双馈异步发电机和双馈变流器；另一种是无齿轮箱直接驱动低速永磁发电机和全功率变频器。前者采用高速电机，体积小重量轻，双馈变流器容量仅与电机转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱价格贵，噪音大、易疲劳损坏；后者无齿轮箱，可靠性高，但采用低速永磁电机，体积大，造价高，变频器需要全功率，成本提高。