基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺及實驗方法
【專利摘要】本發明提供一種基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于：該實驗臺包括PLC控制柜、異步電機、雙饋發電機、全功率變流器、饋電柜、背靠背變流器、配電變壓器及電能質量測量儀器。本發明填補了已有實驗臺的不足之處，以滿足多方位的教學需求，實現一個關于風力發電的多功能實驗臺，它可以實現兩種發電模式及兩種變流器結構的相關實驗，在操作之前可以在PC機種選擇其中的一種發電方案，其檢測實驗范圍包括從原始的風到所發出電的電能質量。讓實驗人員能夠更加深入的了解風力發電的相關原理及相關的控制技術。
【專利說明】基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺及實驗方法
[0001]【技術領域】:本發明屬于風力發電的高教儀器設備領域。尤其涉及一種風力發電能量轉換及電能質量檢測動模實驗臺及實驗方法。
[0002]【背景技術】:近年來，在化石能源日益消耗并造成環境嚴重惡化的今天，風能作為清潔能源已經等到廣泛的應用，它越來越被人們重視，其中一種有效的利用發式就是風力發電，風力發電成為各國的研究重點。要進行風力發電控制技術的研究，最理想的方法是進行現場實驗。但是受環境、自然因素、天氣、設備的體積龐大等條件的影響，不能隨時對風力發電系統進行試驗，現場條件又較為惡劣，這給現場試驗帶來很多困難。因此在實驗室構造風力發電技術的模擬平臺就變得很有必要，通過模擬平臺來模擬實際風力機的工作特性，利用風力機的模擬特性進行風力發電技術的相關研究。
[0003]隨著風力發電的快速發展，越來越多的大功率風機的并入電網，使得電網電能質量嚴重降低。從而使風電的電能質量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點。要對電網的電能質量進行改善，首先要對電能質量做出精確的檢測和分析，測量電網的電能質量水平，并分析和判斷造成各種電能質量問題的原因，為電能質量的改善提供依據。所以對電能質量的檢測和分析很有必要。
[0004]到目前為止，現有的實驗臺大多是單向的，只能完成一種發電系統的相關實驗，經濟性不好，性價比不是很高，且效果差。
【發明內容】
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[0005]發明目的:本發明提供了一種基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺及實驗方法，其目的是解決以往的實驗臺所存在的功能單一、經濟性不好、性價比低和效果差的問題。
[0006]技術方案:本發明是通過以下技術方案實現的:
[0007]一種基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于:該實驗臺包括PLC控制柜、異步電機、雙饋發電機、全功率變流器、饋電柜、背靠背變流器、配電變壓器及電能質量測量儀器；PLC控制柜連接至變頻器，變頻器連接至異步電機，異步電機與雙饋發電機的軸相連并可以互逆發電，異步電機連接至全功率變流器，全功率變流器連接至饋電柜，饋電柜連接至配電變壓器，配電變壓器連接至變頻器；雙饋發電機一方面也連接至饋電柜，另一方面與背靠背變流器連接；PLC控制柜分別與全功率變流器和背靠背變流器連接；PLC控制柜連接PC機。
[0008]全功率變流器和雙饋發電機均通過并網/拖動開關柜連接至饋電柜。
[0009]在背靠背變流器和全功率變流器之后分別連接一個相同的電能質量測量儀器，電能質量測量儀器包括電能質量分析儀、功率測量儀和波形示波儀。
[0010]分別在雙饋風力發電機的轉子側與背靠背變流器之間并聯一個保護變流器和直流電源的crowbar保護電路；全功率變流器中間并接一個chopper泄放電路；在異步電機與雙饋發電機之間還裝有一個轉矩轉速測量儀。[0011]利用上述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:該方法分為兩種并列的方法，一種是利用雙饋發電機發電，另一種是選擇異步電機發電，具體步驟如下:
[0012]當選擇雙饋發電機發電時，PC機根據實際風場的各種運行工況，模擬各種風資源條件下的機組風輪驅動情況，然后通過PLC控制柜去全功率變流器驅動異步電機，通過異步電機拖動雙饋風力發電機組運行，當達到并網速度時并且相序一致時可將雙饋風力發電機組并網發電，此時，電能質量測量儀器開始采集機組的運行信息并傳送給控制系統和測試系統；在PC機的操作界面上，可以進行不同工況的選擇模擬，也可以顯示實時采集的風資源情況，可以進行電機并網控制策略的模擬實驗，觀察到機組同步化、勵磁調節、并網的過程；
[0013]當選擇發電方式為異步發電機發電時，雙饋發電機的并網開關柜中的并網開關柜接通，通過PLC控制柜給全功率變流器傳送指令，再通過控制背靠背變流器去改變雙饋發電機轉子的勵磁電流，從而改變轉子轉速，當達到并網速度時并且相序一致時可將異步發電機組并網發電此時，電能質量測量儀器開始采集機組的運行信息并傳送給控制系統和測試系統；在PC機的操作界面上，可以進行不同工況的選擇模擬，也可以顯示實時采集的風資源情況，可以進行電機并網控制策略的模擬實驗，觀察到機組同步化、勵磁調節、并網的過程。
[0014]該實驗臺的變流器控制策略如下:外環控制選用的是有功和無功控制，除此之外，有功功率外環可以為轉矩或轉速外環控制，內環制器為電流閉環控制，其中定子側有功功率Ps、定子側無功功率Qs、電磁轉矩Te和轉子轉速ω r為測試儀器實測的數值反饋到控制器中，當采用直接功率控制時，通過檢測定子輸出的瞬時有功、無功功率的誤差以及定轉子的磁鏈的位置信號，有功指令根據機組特性按最大風能捕捉原則給出，無功指令根據電網需求設定，根據檢測出的功率與給定功率進行比較，誤差通過PI功率調節器進行運算，分別輸出電機定子電流有功及無功分量指令，然后與反饋的實際轉子的有功無功分量電流
irq的誤差通過PI調節器轉化為電壓指令，根據電壓指令判斷電壓矢量所處的扇區，從開關是量表中選擇最優的電壓矢量以控制發電機的有功無功功率跟蹤所給指令的變化，其中定子側有功功率Ps、定子側無功功率Qs、電磁轉矩Te和轉子轉速與轉子電流的關系為:
【權利要求】
1.一種基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于:該實驗臺包括PLC控制柜、異步電機、雙饋發電機、全功率變流器、饋電柜、背靠背變流器、配電變壓器及電能質量測量儀器；PLC控制柜連接至變頻器，變頻器連接至異步電機，異步電機與雙饋發電機的軸相連并可以互逆發電，異步電機連接至全功率變流器，全功率變流器連接至饋電柜，饋電柜連接至配電變壓器，配電變壓器連接至變頻器；雙饋發電機一方面也連接至饋電柜，另一方面與背靠背變流器連接；PLC控制柜分別與全功率變流器和背靠背變流器連接；PLC控制柜連接PC機。
2.根據權利要求1所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于:全功率變流器和雙饋發電機均通過并網/拖動開關柜連接至饋電柜。
3.根據權利要求2所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于:在背靠背變流器和全功率變流器之后分別連接一個相同的電能質量測量儀器，電能質量測量儀器包括電能質量分析儀、功率測量儀和波形示波儀。
4.根據權利要求1或3所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺，其特征在于:分別在雙饋風力發電機的轉子側與背靠背變流器之間并聯一個保護變流器和直流電源的crowbar保護電路；全功率變流器中間并接一個chopper泄放電路；在異步電機與雙饋發電機之間還裝有一個轉矩轉速測量儀。
5.利用上述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:該方法分為兩種并列的方法，一種是利用雙饋發電機發電，另一種是選擇異步電機發電，具體步驟如下: 當選擇雙饋發 電機發電時，PC機根據實際風場的各種運行工況，模擬各種風資源條件下的機組風輪驅動情況，然后通過PLC控制柜去全功率變流器驅動異步電機，通過異步電機拖動雙饋風力發電機組運行，當達到并網速度時并且相序一致時可將雙饋風力發電機組并網發電，此時，電能質量測量儀器開始采集機組的運行信息并傳送給控制系統和測試系統；在PC機的操作界面上，可以進行不同工況的選擇模擬，也可以顯示實時采集的風資源情況，可以進行電機并網控制策略的模擬實驗，觀察到機組同步化、勵磁調節、并網的過程; 當選擇發電方式為異步發電機發電時，雙饋發電機的并網開關柜中的并網開關柜接通，通過PLC控制柜給全功率變流器傳送指令，再通過控制背靠背變流器去改變雙饋發電機轉子的勵磁電流，從而改變轉子轉速，當達到并網速度時并且相序一致時可將異步發電機組并網發電此時，電能質量測量儀器開始采集機組的運行信息并傳送給控制系統和測試系統；在PC機的操作界面上，可以進行不同工況的選擇模擬，也可以顯示實時采集的風資源情況，可以進行電機并網控制策略的模擬實驗，觀察到機組同步化、勵磁調節、并網的過程。
6.根據權利要求5所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:該實驗臺的變流器控制策略如下:外環控制選用的是有功和無功控制，除此之外，有功功率外環可以為轉矩或轉速外環控制，內環制器為電流閉環控制，其中定子側有功功率Ps、定子側無功功率Qs、電磁轉矩Te和轉子轉速ω r為測試儀器實測的數值反饋到控制器中，當采用直接功率控制時，通過檢測定子輸出的瞬時有功、無功功率的誤差以及定轉子的磁鏈的位置信號，有功指令根據機組特性按最大風能捕捉原則給出，無功指令根據電網需求設定，根據檢測出的功率與給定功率進行比較，誤差通過PI功率調節器進行運算，分別輸出電機定子電流有功及無功分量指令，然后與反饋的實際轉子的有功無功分量電流ir1、Irq的誤差通過PI調節器轉化為電壓指令，根據電壓指令判斷電壓矢量所處的扇區，從開關是量表中選擇最優的電壓矢量以控制發電機的有功無功功率跟蹤所給指令的變化，其中定子側有功功率Ps、定子側無功功率Qs、電磁轉矩Te和轉子轉速^與轉子電流的關系為:
7.根據權利要求6所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:為了整個系統的安全起見，在發電機自動并網運行之前須完成手動并網，只有手動并網成功之后自動并網才能正常啟動,其中手動并網主要是完成并網條件的相序是否一致，還包括 檢測電壓幅值是否一樣，電壓直接用電壓表測量，相序檢測方法有三相同步整步法和示波器檢測同步法，對于三相同步整步法有燈光明暗法、燈光旋轉法；對于示波器檢測同步法它是通過示波器通1、2通道分別檢測電網和發電機三相中對應的一相的電壓幅值、相位和頻率來判斷和調整相序一致，本發明采用三相同步整步法的燈光明暗法。
8.根據權利要求7所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:相序檢測方法如下:將三只燈泡直接跨接于電網與雙饋發電機定子的對應相之間。并網方法為:①通過雙饋變流器調節發電機轉子勵磁電流的大小改變定子端感應電壓，使定子感應電壓與電網電壓的幅值、頻率和相位相同電壓調整好后，如果相序一致，燈光應該表現為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，則說明相序不一致，這時應該調整發電機的出線相序(注意:不能調整電網側相序帶電危險)，必須停止拖動系統等到發電機轉速為零(因為雙饋發電機轉子和定子繞組中有剩磁存在，只要發電機轉速不為零發電機定子就有感應電壓)。可以斷開S2和S3隔離開關之后調整轉子相序或者定子相序實現，嚴格保證相序一致。③根據= f2+fm，其中網側電壓頻率，f2勵磁電流頻率，fm發電機軸旋轉頻率)，調節發電機轉速或者調節雙饋變流器勵磁電流的頻率來改變定子側感應電壓的頻率直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明定子感應電壓的頻率和電網電壓頻率十分接近，這時等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并網開關。 對于風功率的模擬，風功率可以表示為:
9.根據權利要求5所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:異步電機采用鼠籠異步電機，這時采用基于氣隙磁場定向的矢量控制，對于異步電機作為發電機及雙饋電機的控制本試驗臺支持直接功率控制、直接轉矩和轉速控制的切換，同時還開放一個可編程控制器，支持下載自己編寫的控制策略，方便實驗研究:具體方法如下: 系統采用速度閉環控制，轉矩調節器是PI調節器，提供了轉矩參考值^，經變換后得到電流分量參考值?。
10.根據權利要求5所述的基于雙饋發電機的動模雙向風電能量轉換實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于:雙饋發電機或異步發電機并網后用電能質量測量儀器對發電的電能質量進行檢測，檢測項目包括電流、電壓、功率、諧波、不平衡度、閃變等參數，在檢測儀器界面上，可以顯示出各種電能質量的檢測指標情況，進行電能質量測試傳感器、儀器儀表的觀察、使用等，最終由PC機內的Labview系統對數據進行顯示、處理、儲存等，得到機組的各項試驗結果，并在顯示器中顯示出器波形圖。
【文檔編號】G01R31/34GK103886791SQ201210559500
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2012年12月19日
【發明者】邢作霞, 楊俊友, 鐘明方, 姜立兵, 井艷軍, 張忠叢, 王青林, 田艷豐, 陳韶宇 申請人:沈陽工業大學