开放式直驱风力发电实验平台

一、背景介绍

 

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。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。

 

那么，在风力发电产业蓬勃发展的国际环境下，风力发电水平不断提高。科研实验室作为各种新理论和新技术的孕育摇篮，其先期的研究和验证对风电技术的发展和前进起着至关重要的引导和推动作用。进行实验研究最直接有效的方法是将风力发电机与风力机相连，进行现场实际试验。但是鉴于所需要的风场环境以及体积庞大、结构复杂的桨叶设备，实验室内不可能具备条件，只能在室外进行现场调试。但是，受环境、自然因素、天气条件等影响，现场实验困难重重，比如：无法自由的对风速进行变化，某些高风速下的极限测试只能在极少数情况下得以实现，实验周期长，人力、物力、经费投入大；新理论和新技术存在诸多的未知数，实验结果的好坏难以预测，现场调试风险巨大；电气设备的运算和安装不便，不同容量设备难以在同一风力系统进行试验；这些因素都要求在实验室内构件模拟系统来模拟实际风力机的真实工作特性势在必行。

 

对此，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，具有重要的现实意义。

 

二、模拟风力发电系统—直驱式风力发电系统（开放式）

 

 

1、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；

 

2、直驱风力发电实验仿真平台工作原理

 

 

 

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

 

 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。

 

3、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。

 

4、实物图片