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案例分享 | 安徽工程大學—開放式直驅風力發電半實物仿真試驗平臺

案例分享 | 安徽工程大學—開放式直驅風力發電半實物仿真試驗平臺

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【摘要】:
基于實際光伏發電的實驗仿真平臺,模擬定槳距式的永磁直驅風力發電的實驗仿真平臺通過此平臺,研究人員可以研究光伏發電及永磁直驅風力發電機的真實工作特性,可以縮短研究和開發周期、節省研究經費,便于對光伏發電系統的控制技術展開全面深入的研究,具有重要的顯示意義。

 

一、開放式光伏并網發電實驗平臺

 

1、平臺簡介

 

光伏發電指采用光伏組件,將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。它是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電及能源綜合利用方式,它倡導就近發電,就近并網,就近轉換,就近使用的原則,不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量,同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。

 

目前應用最為廣泛的分布式光伏發電系統,應用在建筑物屋頂。該類項目必須接入公共電網,與公共電網一起為附近的用戶供電。如果沒有公共電網支撐,分布式系統就無法保證用戶的用電可靠性和用電質量。不論是集中式發電還是分布式發電,都需要供電穩定、可靠。分布式光伏發電利用太陽能,是人們利用清潔能源的重要手段。但是,日夜更替,天氣無常,分布式光伏發電的出力不具備規律性,在接入公共電網后,需要公共電網作為備用。

 

分布式光伏發電對電網的規劃、并網方式、電能質量繼電保護等都有影響。需要制定合理的分布式光伏發電管理方式,保證電網的安全運行。

 

對此,南京研旭電氣科技有限公司設計了基于實際光伏發電的實驗仿真平臺。通過此平臺,研究人員可以研究光伏發電的真實工作特性,可以縮短研究和開發周期、節省研究經費,便于對光伏發電系統的控制技術展開全面深入的研究,具有重要的顯示意義。

 

 

2、光伏并網發電實驗仿真平臺組成

 

光伏發電實驗仿真平臺主要由以下設備組成:

 

 

  • 光伏陣列PV模擬源或者太陽能組件電池板;
  • 直流電源或光伏板發出的電接入光伏并網逆變器;
  • 光伏并網逆變器將直流電逆變為符合并網要求的三相交流電,饋入主網;
  • 監控前臺,主要由工控機、顯示器、上位機應用軟件組成,實現對PV模擬源、逆變器等設備的數據監控以及記錄保存;

 

 

光伏系統實驗例程:

1)光伏系統整體原理認知實驗(基礎)
2)光伏模擬源操作實驗(基礎)
3)光伏變流器操作實驗(基礎)
4)模擬量電壓采集實驗(驗證)
5)光伏穩定直流電壓實驗(研究)
6)光伏恒功率并網實驗(研究)
7)光伏最大功率點跟蹤實驗(研究)
8)光伏并網運行控制策略實驗(創新)
9)控制采集板、驅動功率板等硬件原理實驗(開源)
10)DSP的入門、使用和燒寫實驗(開源)
11)CCS軟件使用(開源)
12)軟件開發流程講解(開源)

 

二、開放式光伏并網發電實驗平臺

 

1、平臺簡介

 

永磁直驅風力發電機不僅可以提高發電機的效率,并且因為發電機采用了永磁結構,省去了電刷和集電環等易耗機械部件,提高了系統的可靠性,而且不需要電勵磁裝置,能在增大電機容量的同時,減少體積。另外,風力機的直驅化也是當前的一個熱點趨勢。目前大多風力發電系統發電機與風輪并不是直接相連,而是通過變速齒輪連接,這種機械裝置不僅降低了系統的效率,增加了系統的成本,而且容易出現故障,是風力發電急需解決的瓶頸問題。直驅式風力發電機可以直接與風輪相連,增加了系統的穩定性,減少了維護工作,并且還降低了噪音。因此鑒于諸多優點,國內各類科研單位,都青睞于對永磁直驅風力發電的研究。

南京研旭電氣科技有限公司設計了一整套模擬定槳距式的永磁直驅風力發電的實驗仿真平臺。通過此平臺,研究人員可以研究永磁直驅風力發電機的真實工作特性,可以縮短研究和開發周期、節省研究經費,便于對風力發電系統的控制技術展開全面深入的研究。

 

2、模擬風力發電系統—直驅式風力發電系統(開放式)

 

 

3、直驅風力發電實驗仿真平臺組成

(1)直驅式風力發電系統主要包括:
1)7.5kW三相異步電機、5.5kw三相永磁發電機、槽鋼底座;
2)7.5kw ABB矢量變頻器;
3)5kW風機背靠背整流逆變柜;
4)實驗例程和項目;
5)變流器開源軟硬件資料。

 

(2)直驅風力發電實驗仿真平臺主要由以下設備組成:
1)矢量變頻器和三相異步調速電機來模擬實際的風力機;
2)三相異步調速電機通過聯軸器帶動永磁直驅發電機發電;
3)發電機定子輸出連接可控整流器,將發電機發出的三相交流電整流成直流電;
4)并網逆變器直流輸入連接可控整流器直流輸出,將直流電逆變為符合并網要求的三相交流電,饋入主網;
5)監控前臺,主要由工控機、顯示器、上位機應用軟件組成,實現對變頻器、整流器、逆變器等設備的數據監控以及記錄保存;
6)風速調速器設備,主要目的就是實現定槳距角變速恒頻的最大發電功率追蹤;

 

4、直驅風力發電實驗仿真平臺工作原理

 

 

 

5、上位機監控系統

 

監控上位機應用軟件為用戶提供了可視的操作界面,主要包括三大功能:風速模擬功能、實時監控功能、歷史數據功能。其界面如下:

 

 

6、直驅式風力發電系統實驗例程和項目:


1)直驅式風力發電系統整體原理認知實驗(基礎)
2)自然風模擬操作實驗(基礎)
3)風力背靠背變流器操作實驗(基礎)
4)發電機轉速與輸出電壓關系實驗(驗證)
5)背靠背式變流器電壓采集實驗(驗證)
6)發電機標量式定功率并網實驗(驗證)
7)發電機矢量式MPPT并網實驗(研究)
8)背靠背變流器控制方法研究實驗(創新)
9)控制采集板、驅動功率板等板卡硬件原理(開源)
10)DSP的入門、使用和燒寫實驗(開源)
11)CCS軟件使用(開源)
12)軟件開發流程講解(開源)

 

三、半實物仿真系統方案介紹

 

在產品研發前期、算法驗證階段,若采用實際控制器進行控制時,存在周期長、可靠性差等問題。若采用快速控制原型(Rapid Control Prototyping簡稱RCP),那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的驗證。

 

RCP系統在新能源領域有著巨大的應用潛力,比如光伏變流器、風機變流器、儲能變流器等電力電子變換器。只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型,下載到YXSPACE控制器中,即可實現控制過程。從而開發者可以不用研究任何控制芯片,以及任何嵌入式編程語言,只需要把所有精力放在核心控制算法的研究上面。

 

研旭公司推出的YXSPACE產品系列,能夠將用戶設計的圖形化的高級語言編寫的控制算法(Simulink)轉換成DIDO、AIAO量,完成實際硬件控制。其基本控制框圖如下所示:

 

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建,將模型中的接口與硬件驅動接口綁定后,再結合TI公司的CCS編譯工具產生可執行文件,下載至YXSPACE控制器中運行。

 

1、YXSPACE獨特優點

 

(1)采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU,其仿真結果針對實際研究更具有參考性;
(2)在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼,自動加載到實時目標機中運行,避免了繁瑣的編程和Debug工作;
(3)使用門檻低,會Matlab仿真即可完成實驗測試工作,所有測試工作只需一人即可完成;
(4)模型與硬件接口鏈接簡單,只需記住端口編號即可,更不用配置硬件各類細節,免去一切不必要的麻煩;
(5)性價比高,在同等功能的前提下,YXSPACE成本更低;
(6)具備自主編寫的驅動庫,可以直接導入到Simulink庫中,用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫,將模型中的數據直接與硬件對接,無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件,可適用于各種工程調試需求;
(7)模型轉換文件的透明化,用戶可直接查看模型轉換后的源碼。

 

2、實物圖片

 

 

 

四、實際項目現場

 

 

 

 

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