案例分享 | 安徽工程大学—开放式直驱风力发电半实物仿真试验平台


 

一、开放式光伏并网发电实验平台

 

1、平台简介

 

光伏发电指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电及能源综合利用方式,它倡导就近发电,就近并网,就近转换,就近使用的原则,不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量,同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

 

目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统,应用在建筑物屋顶。该类项目必须接入公共电网,与公共电网一起为附近的用户供电。如果没有公共电网支撑,分布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。不论是集中式发电还是分布式发电,都需要供电稳定、可靠。分布式光伏发电利用太阳能,是人们利用清洁能源的重要手段。但是,日夜更替,天气无常,分布式光伏发电的出力不具备规律性,在接入公共电网后,需要公共电网作为备用。

 

分布式光伏发电对电网的规划、并网方式、电能质量继电保护等都有影响。需要制定合理的分布式光伏发电管理方式,保证电网的安全运行。

 

对此,南京研旭电气科技有限公司设计了基于实际光伏发电的实验仿真平台。通过此平台,研究人员可以研究光伏发电的真实工作特性,可以缩短研究和开发周期、节省研究经费,便于对光伏发电系统的控制技术展开全面深入的研究,具有重要的显示意义。

 

 

2、光伏并网发电实验仿真平台组成

 

光伏发电实验仿真平台主要由以下设备组成:

 

 

  • 光伏阵列PV模拟源或者太阳能组件电池板;
  • 直流电源或光伏板发出的电接入光伏并网逆变器;
  • 光伏并网逆变器将直流电逆变为符合并网要求的三相交流电,馈入主网;
  • 监控前台,主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成,实现对PV模拟源、逆变器等设备的数据监控以及记录保存;

 

 

光伏系统实验例程:

1)光伏系统整体原理认知实验(基础)
2)光伏模拟源操作实验(基础)
3)光伏变流器操作实验(基础)
4)模拟量电压采集实验(验证)
5)光伏稳定直流电压实验(研究)
6)光伏恒功率并网实验(研究)
7)光伏最大功率点跟踪实验(研究)
8)光伏并网运行控制策略实验(创新)
9)控制采集板、驱动功率板等硬件原理实验(开源)
10)DSP的入门、使用和烧写实验(开源)
11)CCS软件使用(开源)
12)软件开发流程讲解(开源)

 

二、开放式光伏并网发电实验平台

 

1、平台简介

 

永磁直驱风力发电机不仅可以提高发电机的效率,并且因为发电机采用了永磁结构,省去了电刷和集电环等易耗机械部件,提高了系统的可靠性,而且不需要电励磁装置,能在增大电机容量的同时,减少体积。另外,风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风力发电系统发电机与风轮并不是直接相连,而是通过变速齿轮连接,这种机械装置不仅降低了系统的效率,增加了系统的成本,而且容易出现故障,是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连,增加了系统的稳定性,减少了维护工作,并且还降低了噪音。因此鉴于诸多优点,国内各类科研单位,都青睐于对永磁直驱风力发电的研究。

南京研旭电气科技有限公司设计了一整套模拟定桨距式的永磁直驱风力发电的实验仿真平台。通过此平台,研究人员可以研究永磁直驱风力发电机的真实工作特性,可以缩短研究和开发周期、节省研究经费,便于对风力发电系统的控制技术展开全面深入的研究。

 

2、模拟风力发电系统—直驱式风力发电系统(开放式)

 

 

3、直驱风力发电实验仿真平台组成

(1)直驱式风力发电系统主要包括:
1)7.5kW三相异步电机、5.5kw三相永磁发电机、槽钢底座;
2)7.5kw ABB矢量变频器;
3)5kW风机背靠背整流逆变柜;
4)实验例程和项目;
5)变流器开源软硬件资料。

 

(2)直驱风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成:
1)矢量变频器和三相异步调速电机来模拟实际的风力机;
2)三相异步调速电机通过联轴器带动永磁直驱发电机发电;
3)发电机定子输出连接可控整流器,将发电机发出的三相交流电整流成直流电;
4)并网逆变器直流输入连接可控整流器直流输出,将直流电逆变为符合并网要求的三相交流电,馈入主网;
5)监控前台,主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成,实现对变频器、整流器、逆变器等设备的数据监控以及记录保存;
6)风速调速器设备,主要目的就是实现定桨距角变速恒频的最大发电功率追踪;

 

4、直驱风力发电实验仿真平台工作原理

 

 

 

5、上位机监控系统

 

监控上位机应用软件为用户提供了可视的操作界面,主要包括三大功能:风速模拟功能、实时监控功能、历史数据功能。其界面如下:

 

 

6、直驱式风力发电系统实验例程和项目:


1)直驱式风力发电系统整体原理认知实验(基础)
2)自然风模拟操作实验(基础)
3)风力背靠背变流器操作实验(基础)
4)发电机转速与输出电压关系实验(验证)
5)背靠背式变流器电压采集实验(验证)
6)发电机标量式定功率并网实验(验证)
7)发电机矢量式MPPT并网实验(研究)
8)背靠背变流器控制方法研究实验(创新)
9)控制采集板、驱动功率板等板卡硬件原理(开源)
10)DSP的入门、使用和烧写实验(开源)
11)CCS软件使用(开源)
12)软件开发流程讲解(开源)

 

三、半实物仿真系统方案介绍

 

在产品研发前期、算法验证阶段,若采用实际控制器进行控制时,存在周期长、可靠性差等问题。若采用快速控制原型(Rapid Control Prototyping简称RCP),那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的验证。

 

RCP系统在新能源领域有着巨大的应用潜力,比如光伏变流器、风机变流器、储能变流器等电力电子变换器。只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型,下载到YXSPACE控制器中,即可实现控制过程。从而开发者可以不用研究任何控制芯片,以及任何嵌入式编程语言,只需要把所有精力放在核心控制算法的研究上面。

 

研旭公司推出的YXSPACE产品系列,能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法(Simulink)转换成DIDO、AIAO量,完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示:

 

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建,将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后,再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件,下载至YXSPACE控制器中运行。

 

1、YXSPACE独特优点

 

(1)采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU,其仿真结果针对实际研究更具有参考性;
(2)在Matlab中设计的控制算法自动生成代码,自动加载到实时目标机中运行,避免了繁琐的编程和Debug工作;
(3)使用门槛低,会Matlab仿真即可完成实验测试工作,所有测试工作只需一人即可完成;
(4)模型与硬件接口链接简单,只需记住端口编号即可,更不用配置硬件各类细节,免去一切不必要的麻烦;
(5)性价比高,在同等功能的前提下,YXSPACE成本更低;
(6)具备自主编写的驱动库,可以直接导入到Simulink库中,用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库,将模型中的数据直接与硬件对接,无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件,可适用于各种工程调试需求;
(7)模型转换文件的透明化,用户可直接查看模型转换后的源码。

 

2、实物图片

 

 

 

四、实际项目现场

 

 

 

 

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