開放式直驅風力發電實驗平臺

一、背景介紹

 

在能源枯竭與環境污染問題日益嚴重的今天，風力發電已經成為綠色可再生能源的一個重要途徑。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。

 

那么，在風力發電產業蓬勃發展的國際環境下，風力發電水平不斷提高?？蒲袑嶒炇易鳛楦鞣N新理論和新技術的孕育搖籃，其先期的研究和驗證對風電技術的發展和前進起著至關重要的引導和推動作用。進行實驗研究最直接有效的方法是將風力發電機與風力機相連，進行現場實際試驗。但是鑒于所需要的風場環境以及體積龐大、結構復雜的槳葉設備，實驗室內不可能具備條件，只能在室外進行現場調試。但是，受環境、自然因素、天氣條件等影響，現場實驗困難重重，比如：無法自由的對風速進行變化，某些高風速下的極限測試只能在極少數情況下得以實現，實驗周期長，人力、物力、經費投入大；新理論和新技術存在諸多的未知數，實驗結果的好壞難以預測，現場調試風險巨大；電氣設備的運算和安裝不便，不同容量設備難以在同一風力系統進行試驗；這些因素都要求在實驗室內構件模擬系統來模擬實際風力機的真實工作特性勢在必行。

 

對此，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，具有重要的現實意義。

 

二、模擬風力發電系統—直驅式風力發電系統（開放式）

 

 

1、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；

 

2、直驅風力發電實驗仿真平臺工作原理

 

 

 

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

 

 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。

 

3、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。

 

4、實物圖片