永磁风机模拟发电系统实验平台的研究

[摘 要]风能作为一种储量巨大、清洁的可再生的能源已经倍受人们关注，现如今利用风力发电已经被人们所利用，研究风力发电已经是迫在眉睫，要做出准确度高的风电实验需在风场进行实验，但是现场的风速无法控制、控制系统研究困难和考虑成本等等。为了方便研究，设计一套模拟的实验平台进行风电的实验，利用一台15KW的异步电动机拖动一台10KW的永磁发电机，组成一个能量对拖平台，利用PLC编程来调节变频器控制异步电动机，模拟真实的风速变化和转矩的变化，并与上位机连接进行风速和风况参数的调节，来真实模拟风场的情况，方便实验的进行。

[关键词]风力发电；实验平台；PLC

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0323-01

引言

永磁直驱发电系统由风轮、传动装置、PMSG、全功率变流器、控制系统等几部分构成。其工作原理是风以一定的风速和角度作用在风轮的叶片上，风轮由于受到旋转力矩而转动，由于风轮和发电机同轴相连，进而带动PMSG转子转动。在整个过程中，首先由风轮将风能转化成机械能，然后由发电机将机械能转化成电能。由于风速不断地变化，发电机输出的端电压幅值、频率也时刻变化，不符合并网要求。因此，发电机发出的电只有经过全功率变流器进行整流逆变，使其转化为幅值、频率、相位与电网一致的交流电后并入电网。

1 永磁风机模拟发电系统实验平台原理简介

实验平台的工作过程是风机特性模拟模块根据风力机的特性参数和环境参数如风速、风向、温度和气压等计算作用于风力机的机械转矩。此转矩作为风力机模拟的目标机械转矩，由风力机模拟控制系统向转矩输出模块发送转矩指令，使电动机输出相应的机械转矩，从而模拟实际风力机转矩输出的驱动效果。模拟的机械力矩经过传系统驱动发电机发电，发电机三相输出接全功率变流器后接入电网。发电机功率由变频器控制，在运行阶段变频器接收机械转矩信号控制发电机的转矩使风力发电系统始终随着风速的变化而输出最大的额定功率。

2 永磁风机模拟发电系统实验平台硬件组成

实验平台的硬件构成主要有，上位机、S7300系列PLC、能量对拖平台、拖动变频器、全功率变流器等几部分组成。

上位机指的是编程电脑和人机交互界面，实现编程和后台模拟仿真功能，人机交互界面：HMI（Human Machine Interface ）画面可实现趋势图显示、故障报警、数据归档功能。本课题拟采用Wincc advanced V12软件组态人机界面（HMI）以操作和监视机器与设备。

S7300系列PLC执行各机构控制过程、故障处理过程及发电运行控制。PLC（Programmable Logic Controller）是可编程控制器它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

能量对托平台包括异步电动机和永磁同步发电机，拖动变频器控制异步电动机，异步电动机和永磁同步发电机同轴连接，带动发电机转子转动，可以实现能量的转换和输出。

全功率变流器也称变流器是风力发电并网的一个重要部分，它由机侧变流器和网侧变流器两部分组成，二者通过直流环节连接，构成一个交直交四象限运行变流器。主要是将幅值、频率不断变化的交流电通过机侧变流器整流成直流电经直流支撑电容稳压后输送至网侧变流器，控制系统通过PWM矢量控制技术将直流电转换为频率幅值稳定的交流电，馈入电网。完善的保护功能以及先进的控制技术保证变流器运行的安全、稳定，并将对电网的冲击降至最小。（如图3）

3 实验平台技术特点

在风力发电实验平台中，最大的难题就是风能的模拟，我们利用原动机来模拟风力机的特性来驱使发电机发电。从经济、风能的利用率和转换效率的角度出发本风力发电实验平台选取用原动机来拖动发电机进行发电。风能的模拟我们可以通过控制原动机的输出特性来模拟风力机的输出特性。因此我们需要建立一个风速模型来模拟一个风速。在本实验平台中我们将模拟风速的大小分为无风、弱风和强风。按照风的随机性我们分为：阵风、叠加风和瞬变风。从模拟的风速来看我们无疑是在模拟风速的随机性和间歇性，使风速完全的或接近于实际风能的状况。

4 实验平台最终实现的目标

本实验平台可以完成以下的实验：

1、风速模拟：平台能模拟各类设定风速，可提供多种可选风类型，风速（转

矩）曲线与实际永磁风机有较高的吻合度，支持导入实际风机测试数据，根据历史数据模拟任何风速曲线。

2、最大风速跟踪：可模拟最大风能跟踪功能。

3、参数设定与工况调节：可以灵活设定各种转速（转矩）-时间曲线，实

现对电动机的转速连续调节。

4、风机运行过程模拟：可模拟风机正常的启动、停止、运行、并网的过程，

并且能够导出获得风机并脱网暂态过程曲线、数据。在不同风速下模拟发电与运行状态。

5、在手动并网成功之后，可以进行自动并网功率控制，通过变流器可以实

现有功功率和无功功率的独立调节。

6、系统支持远方控制与就地控制两种控制方式。

参考文献

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