[发明专利]面向控制技术研究的双馈风力发电系统模拟实验平台

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电系统模拟实验平台，特别是一种在实验室环境下，面向双馈风力发电系统电机控制层控制技术研究的模拟实验装置。

(二)背景技术

随着全球风电产业的迅速发展，双馈风力发电机组以其励磁变频器容量小、调速范围大、有功无功功率独立调节等优势成为风电系统中的主流机型。但由于目前对风力发电单机容量需求的不断上升和风电机组在电网中所占比例的不断增大，机组控制技术不成熟，研究与发展滞后于现阶段电力系统要求的问题日益明显。通过在实验室环境下模拟双馈风力发电机组真实运行状况来对控制技术进行不断研究和改进是解决该问题的重要途径。

《一种基于双馈发电机的风力发电模拟系统》(申请号201010147802)公开的是基于双馈发电机的风力发电模拟系统，能够模拟实现发电机的有功功率、无功功率控制，并对电网起到无功补偿的作用；《多功能风力发电模拟实验平台》(申请号201110113933)公开的是一种风力发电实验模拟装置，可用于在实验室环境下模拟兆瓦级风力机的实际运行特性，并可对等功率的风力发电机输出特性进行测试。上述文献公开的风力发电模拟实验平台是在电网电压为理想无故障状态下的模拟，对并网运行情况的模拟考虑不全面，导致实际系统对电网故障的抵御能力低。《双馈风力发电机的故障穿越性能模拟系统》(申请号201010044820.2)公开的是一种双馈风力发电机的故障穿越性能模拟系统，在此实验平台可对低电压穿越、弱电网支撑进行实验研究，但由于系统控制只采用间接变量闭环反馈，并缺乏面向风电机组发电的检测分析环节，造成难于进行风电机组控制策略对比和故障分析。可见，国内目前现有双馈风力发电模拟实验平台存在以下不足：①控制器扩展性不强。平台一般功能固定，实验方式多为重复和模仿，可进行控制技术再编程再设计的二次开发空间小，不利于自主研发能力的提升。②对并网运行情况的模拟考虑不全面。双馈风力发电机组定子端与电网直接耦合，对电网故障的抵御能力低。若平台不考虑电网随机出现的非常态，则无法确保在真实运行状况下机组控制技术的有效性与可靠性。③发电质量检测分析不充分。现有平台多是对控制环节所需的数据进行采集、处理，从而形成闭环反馈，缺乏面向风电机组发电的检测分析环节。而本实验平台可以模拟电网异常状态，并增加发电质量分析装置，可分析得到风电机组运行特性的第一手数据，为分析风电机组故障原因提供支持，为风电机组优化控制策略提供帮助。

(三)发明内容

为了克服现有平台的不足，本发明的目的在于提供一种面向控制技术研究的新型双馈风力发电系统模拟实验平台，能够对双馈风力发电系统的控制策略进行学习、改进和研发，能够对控制方法的控制效果以及电网异常状况的处理性能进行检测和评估。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

双馈风力发电系统模拟实验平台装置，包括：模拟风力机的变频拖动系统、双馈感应发电机与转子端背靠背变换器、撬棒保护装置、发电质量分析装置、DSP控制器与上位机仿真系统、电网异常模拟装置，以及相应的滤波组件与保护开关。

所述的模拟风力机的变频拖动系统以三相鼠笼异步电动机作为原动机，配以不控整流和逆变变换器对原动机进行变频调速。风轮机模型程序在上位机运行，当模拟风速变化时，程序给出对应的输出信号到DSP控制器，再由DSP控制逆变变换器开关通断，改变电动机电磁转矩从而调节转速，使原动机模拟风轮机特性运行。

所述的双馈感应发电机的轴通过联轴器与原动机的轴相连接，发电机的转子绕组端子与撬棒保护装置和背靠背变换器相连，发电机的定子绕组端子与发电质量分析装置相连。所述的撬棒保护装置为三相交流开关器件和电阻组成的主动式撬棒电路，所述的背靠背变换器由DSP控制器进行控制。

所述的发电质量分析装置可对发电电压、相位、频率、功率因数、谐波失真等指标进行测定，并可将数据传送至上位机进行显示，方便获取控制策略下运行过程发电质量的各项信息，全方位检测控制策略的性能。

所述的DSP控制器与上位机仿真系统，硬件由两块浮点DSP组成，通过串口和总线方式与上位机通信；仿真软件中为便于进行二次开发，将分为可扩展部分和可集成部分，两部分通过预留的控制变量端口进行交互。所述的可扩展部分面向用户，能方便加入个性化代码进行调试和改进控制算法。所述的可集成部分封装了所述的双馈风力发电系统的模型信息和控制算法能够共用的DSP配置及代码，可加快用户对控制技术研究的上手度和开发周期。