[发明专利]一种全工况风力机模拟器

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力机模拟器，特别涉及适用于双馈式或直驱式变速恒频风电模拟实验平台的全工况风力机模拟器。

背景技术

风能作为一种可再生能源日益受到世界各国的广泛重视，开发利用风能，大力发展风力发电技术，对于解决全球性的能源危机和环境污染具有重要的意义，目前世界上最主要的风力发电技术中，变速恒频风力发电技术是最优化的技术，已成为风力发电技术的发展方向。

实验室的先期探索、研究验证对风力发电技术的发展起着重要的推动作用。但是由于条件的限制，大多数实验室并不具备风场环境或者风力机，这很不利于一些新理论和新技术的验证。为了加强风力发电技术的研发能力，必须要进行风力机模拟技术的研究。风力发电系统是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的能量转化系统。而风力机在这个系统中就扮演着将风能转化为机械能的角色，故风力机的模拟本质上讲就是能量或者转矩的模拟。通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统符合实际的风力机特性，用其来驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。风力机模拟器可以在不依赖于环境和风力机的情况下模拟风力机的特性，方便了实验室对风力发电系统及其部件的研究开发测试。

现有风力机模拟器大部分采用变频器驱动拖动电机的设计思路，如图1所示，上位机系统计算输出合适的转矩指令，通过控制变频器输出不同的转矩来模拟风力机的运行特性，但是多集中在风力机特性曲线的模拟、最大风能捕获实验等定性方面的研究，并不能准确模拟实际风场大功率机组输出转矩特性，也不能模拟风力机全工况运行特性；另外，现有风力机模拟器大多数风速输入均来自于风速仪测量，且未集成变桨矩系统的模拟，这同样也造成了实验的不方便以及模拟的准确性较差，这就不能真实模拟实际风电机组全工况运行特性，从而影响了实验效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有风力机模拟器仅能进行定性方面研究，不能真实模拟实际自然环境中风电机组全工况运行特性的缺点，提供一种适用于变速恒频风力发电模拟实验平台的全工况风力机模拟器。本发明可实现完全自然风况风速模拟，包括阵风、基本风、渐变风、湍流等，同时也可设置风电场参数，完全再现自然界实际风场真实风况。本发明基于参数折算，通过转矩修正，实现了小尺度风力机模拟器模拟大功率风力机的特性。本发明全工况风力机模拟器应用于风电机组模拟实验平台中，是该实验平台中的一个重要组成部分。该实验平台中除本发明全工况风力机模拟器外，还包括风电机组主控系统、变流器、发电机等。在该实验平台上可以进行风电新技术研究开发及风电机组功能的实验验证。

本发明全工况风力机模拟器主要包括三大部分：风力机模拟器上位机监控系统、全工况风力机特性模拟控制系统和风力机模拟器机电随动系统。

风力机模拟器上位机监控系统设置运行初始参数，通过RS-232串口传输到全工况风力机特性模拟控制系统，经全工况风力机特性模拟控制系统运算得到实时参考转矩指令，所述的实时参考转矩指令通过RS-485通讯接口传输到风力机模拟器机电随动系统中的拖动变频器，所述的拖动变频器根据该实时参考转矩指令控制拖动电机输出转矩，模拟风力机运行特性。

所述的风力机模拟器上位机监控系统由工业控制计算机、监控系统及通讯模块组成，实现功能主要包括全工况风力机模拟器系统控制调度，风力机模拟器参数设置，风力机模拟器常规自然风速模拟等。所述的全工况风力机特性模拟控制系统包括PLC（可编程控制器）单元、信号采集转换器、变桨矩系统模拟模块及系统保护功能模块。信号采集转换器实时采集转速信号和转矩信号，转换并输入到所述的PLC单元，经PLC单元处理，得到输出参考转矩指令。变桨矩系统模拟模块及系统保护功能模拟模块分别执行风电机组模拟实验平台的风电机组主控系统发送的桨距角输出指令和系统保护信号指令。所述的风力机模拟器机电随动系统由拖动变频器、拖动电机、联轴器及转矩转速传感器组成，拖动变频器与拖动电机电气连接，拖动电机与联轴器机械连接，联轴器安装在拖动电机转轴上，转矩转速传感器安装在联轴器上。拖动变频器接收到全工况风力机特性模拟控制系统输出的参考转矩指令后，控制拖动电机输出转矩。

本发明全工况风力机模拟器模拟风力机特性运行包括以下步骤：

步骤1：首先风力机模拟器上位机监控系统进行参数设置，所述的参数主要包括风电场空气密度、待测风电机组类型、风电机组额定功率、风电机组轮毂高度、风电机组叶轮半径及模拟时间尺度，读入风力发电机厂家提供的额定功率曲线。风力机模拟器上位机监控系统根据待测风电机组及环境参数自动生成常规自然风速曲线，供PLC单元实时读取。