[发明专利]低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及电气行业，尤其涉及一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统。

背景技术

随着环境的恶化以及能源的日益匮乏，可再生能源的开发利用逐渐提上日程。风能作为一种绿色环保的可再生能源受到了世界各国的高度重视，风力发电机以年总装机容量以超过20%的速度递增，必将成为21世纪最具开发前景的新能源之一。

    由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣、空气动力学的不确定性和电力电子功率变换装置模型的复杂性，系统模型不易确定，风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统，因此系统建模分析是风力发电机系统设计的关键，为攻克这些难点，国内外的研究热点是系统设计优化和先进控制策略。在实验室环境下研究风力发电系统，无法得到现场的风能输入，也无法安装巨大的浆叶，因资金、场地等条件的限制，以及自然风具有随机性和爆发性，直接在风力机上实验无法实现对控制算法的有效验证。

    而现有的电力系统动态模拟系统用物理元件模拟，其缺点是设备昂贵、占地面积大、电压等级高，不利于实验室教学研究。为了便于实验室研究，急切的需要建立一套适用于实验室研究、教学的风力发电系统动态模拟系统。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种实验室使用的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，为风力发电系统控制策略的研究提供了一个安全、可靠、占地面积小、经济实用、易于控制的实验平台，保障了实验人员、学生在实验过程中的人身安全。所采用的低电压永磁直驱风力发电机组虽然电压等级与实际中的不同，但是其电磁特性都是相同的，能够达到模拟实际永磁直驱风力发电机组发电系统的水平。

    为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

    一种低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统，包括风力发电机组、输配电变压器和线路的物理模型；所述风力发电机组包括微控制器、低压电机调速装置、低压电动机、低压永磁直驱风力发电机、低压整流控制器、低压逆变器、储能装置；所述微控制器为低压电机调速装置提供转速信号，模拟实际风力转动曲线；所述低压电机调速装置接收来自控制器的脉冲信号，输出不同的频率给低压电动机，调节低压电动机的转速；所述低压整流控制器是对低压发电机所发出的不稳定的低压交流电能转换为稳定的工频低压直流电能，同时具有短路、过载和蓄电池组的过放、过充自动保护功能，能有效地延长蓄电池组的使用寿命；所述低压逆变器是对低压整流控制器输出的工频低压直流电能转换为工频低压交流电能，供低压负载使用；所述储能装置可供风力发电系统使用。 

所述低压永磁直驱风力发电机采用三相低压永磁转子交流发电机。

所述低压电动机采用一台或几台电动机，所述电动机采用直流调速电动机。

所述储能装置可采用蓄电池、超级电容、飞轮储能、压缩空气等的一种或几种。

所述输配电变压器为升压变压器，通过升高电压，减小电能在线路上的损耗；所述线路的物理模型，根据等值电路公式计算出电阻、电感、电容的数值，用电阻、电感、电容搭出电力线路的等值电路。

下面结合本发明的结构组成详细说明本发明工作原理：

    在目前的变速恒频风电系统中，使用永磁同步发电机的直驱式系统得到越来越多的应用，直驱式系统需要全功率变流器，变流器容量即为系统额定功率，所需的低速永磁同步发电机体积和重量较大，因而具有较高的成本。但永磁直驱式风电系统采用低速永磁同步发电机，结构简单，不需要齿轮箱，机械损耗小，效率高，便于维护，不需要外部励磁，在低风速下也可以高效率发电，并且易于实现电网电压故障条件下风电系统的不间断并网运行，因而永磁直驱风电系统的发展非常快。本发明采用低电压定子永磁发电机，模拟实际中的永磁直驱风力发电机组及其并网系统，使得永磁直驱风力发电机组能够更好应用于风力发电系统中。

    本发明的低电压永磁直驱风力发电机组及其并网的动态模拟系统结构，如图1所示，整个系统中输配电变压器、低压永磁直驱风力发电机、低压电动机、电阻、电感、电容、低压逆变器、低压整流控制器均采用380V及380V以下的电压等级，其中低压电动机、低压永磁直驱风力发电机采用110V以下电压等级。电压等级的降低，更容易使用低压元件进行相关器件的控制，同时不影响风力发电系统动态模拟系统的实际效果。