《风力发电实验装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力发电实验装置.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102305914 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305914 A *CN102305914A* (21)申请号 201110164404.0 (22)申请日 2011.06.17 G01R 31/34(2006.01) (71)申请人 陕西科技大学 地址 710021 陕西省西安市未央区大学园区 陕西科技大学 (72)发明人 孟彦京 郭建强 高飞 (74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 杨晔 (54) 发明名称 风力发电实验装置 (57) 摘要 风力发电实验装置， 包括风力机特性模拟部 件， 风力机特性模拟。
2、部件通过联轴器组分别与同 步发电机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件相 连， 风力机特性模拟部件的三相交流异步电动机 的电气端子 ABC 与变频器的输出端 UVW 相连接， 所述的同步发电机 - 全功率部件包括同步发电 机与主动整流单元的相连接， 主动整流单元的输 出端与第二有源逆变单元的输入端相连接， 双馈 发电部件包括异步双馈发电机的转子绕组端子 UVW与四象限变频器的输出端子UVW相连接， 风力 机特性模拟部件将电能转化为机械能， 同步发电 机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件将机械能转 换为电能送入电网， 对风力发电系统主结构和系 统效率进行研究和评估， 具有结构简单的特点。 (51)。
3、Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 CN 102305921 A1/1 页 2 1. 风力发电实验装置， 其特征在于， 包括风力机特性模拟部件， 风力机特性模拟部件通 过联轴器组分别与同步发电机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件相连 ； 所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机 (1)， 三相交流异步电动机 (1) 的电气端子 ABC 与变频器 (2) 的输出端 UVW 相连接， 变频器 (2) 的输入端 RST 通过第一空 气开关 (3) 与第一三相电源 (4) 相连接， 三相交流异步电动机 (1。
4、) 的两个轴上分别安装第 一联轴器 (5) 和第二联轴器 (6) ； 所述的同步发电机 - 全功率逆变部件有两种实现方式 ： 类型 I， 直流斩波稳压升压方案， 包括同步发电机 (7)， 同步发电机 (7) 的轴通过第二 联轴器 (6) 与三相交流异步电动机 (1) 的轴相连接， 励磁电源 (8) 给同步发电机 (7) 提供 励磁电流建立磁场， 同步发电机 (7) 的电气输出端子 UVW 通过第二空气开关 (9) 与整流单 元 (10) 的输入端子 UVW 相连接， 整流单元 (10) 的输出端子与升压单元 (11) 的输入端相连 接， 升压单元(11)的输出端与第一有源逆变单元(12)的输入。
5、端相连接， 第一有源逆变单元 (12) 的输出端子 UVW 与第二三相电源 (13) 相连接 ； 类型 II， PWM 整流方案， 包括同步发电机 (7)， 同步发电机 (7) 的轴通过第二联轴器 (6) 与三相交流异步电动机 (1) 的轴相连接， 励磁电源 (8) 给同步发电机 (7) 提供励磁电流建 立磁场， 同步发电机(7)的电气输出端子UVW通过第三空气开关(14)与主动整流单元(15) 的输入端子 UVW 相连接， 主动整流单元 (15) 的输出端与第二有源逆变单元 (16) 的输入端 相连接， 第二有源逆变单元 (16) 的输出端子 UVW 与第三三相电源 (17) 相连接 ； 所。
6、述的双馈发电部件包括异步双馈发电机 (18)， 异步双馈发电机 (18) 的轴通过第一 联轴器 (5) 与三相交流异步电动机 (1) 的轴相连接， 异步双馈发电机 (18) 定子绕组端子 ABC 通过第五空气开关 (21) 与第四三相电源 (22) 相连接， 异步双馈发电机 (18) 的转子绕 组端子 UVW 与四象限变频器 (19) 的输出端子 UVW 相连接， 四象限变频器 (19) 的输入端子 L1L2L3 通过第四空气开关 (20) 与第四三相电源 (22) 相连接。 2.根据权利要求1所述的风力发电实验装置， 其特征在于， 所述的变频器(2)是具有恒 压频比控制、 矢量控制、 直接转。
7、矩控制功能之一或这些控制功能组合的变频器。 3.根据权利要求1所述的风力发电实验装置， 其特征在于， 所述的同步发电机(7)是无 刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。 4. 根据权利要求 1 所述的风力发电实验装置， 其特征在于， 所述的整流单元 (10) 是二 极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。 5. 根据权利要求 1 所述的风力发电实验装置， 其特征在于， 所述的第一有源逆变单元 (12)， 第二有源逆变单元 (16) 是具有回馈功能的变频器或 PWM 整流电路。 权 利 要 求 书 CN 102305914 A CN 102305921 A1/4 页 3 风力发电实验装置。
8、 技术领域 0001 本发明属于风力发电技术领域， 具体涉及风力发电实验装置。 背景技术 0002 随着风力发电技术的深入发展， 变速恒频风力发电技术是当前的主流技术， 异步 双馈风力发电机组是当前风电机组的主流机型， 而同步风力发电机组是当前新增机组的主 要发展方向， 这两种机型主要优点是机组可以在大范围调节转速， 追踪最佳叶尖速比运行， 使风能利用系数保持在最佳值， 机组还可以控制有功功率和无功功率， 改善电能质量。异 步双馈发电机所配备的变流器为四象限变流器， 同步发电机所配备的变流器为全功率变流 器。 同步发电机按励磁方式可分为电励磁式和永磁式， 各有特点， 电励磁式因为磁场可控为 系。
9、统提供了一个控制变量因而控制系统更加灵活， 永磁式因为磁极可以做很多因而可以省 掉齿轮箱大大节约了成本。虽然同步发电机技术比较成熟， 但是在风力发电中的应用才刚 刚开始， 很多特性和规律都需要进一步的研究。 0003 一般的风力发电装置都是风力机通过齿轮箱将低速大转矩的机械功率转化为高 速小转矩的机械功率驱动发电机， 随着转速的变化， 发电机发出变压变频的交流电而无法 直接送入电网， 为了实现并网， 采用变流器将变压变频的交流电转换为工频恒压交流电并 入电网， 结构比较复杂， 电能变换环节较多， 耗损较大， 因而效率较低。 发明内容 0004 为了克服上述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供。
10、了风力发电实验装置， 能 够对风力发电系统主结构和系统效率进行研究和评估， 对风力发电系统中各主要设备的运 行规律进行研究， 研究测试风力发电机的工作特性， 为开发、 研制、 测试变流器和风力发电 控制系统提供实验平台， 具有结构简单的特点。 0005 为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 0006 风力发电实验装置， 包括风力机特性模拟部件， 风力机特性模拟部件通过联轴器 组分别与同步发电机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件相连。 0007 所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机 1， 三相交流异步电动机 1 的电气端子 ABC 分别与变频器 2 的输出端 UVW 相连接，。
11、 变频器 2 的输入端 RST 通过第一空 气开关 3 与第一三相电源 4 相连接， 三相交流异步电动机 1 的两个轴上分别安装第一联轴 器 5 和第二联轴器 6。 0008 所述的同步发电机 - 全功率逆变部件有两种实现方式 ： 0009 类型I， 直流斩波稳压升压方案， 包括同步发电机7， 同步发电机7的轴通过第二联 轴器 6 与三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 励磁电源 8 给同步发电机 7 提供励磁电流建 立磁场， 同步发电机 7 的电气输出端子 UVW 通过第二空气开关 9 与整流单元 10 的输入端子 UVW相连接， 整流单元10的输出端子与升压单元11的输入端相连接， 升压单。
12、元11的输出端 与第一有源逆变单元 12 的输入端相连接， 第一有源逆变单元 12 的输出端子 UVW 与第二三 说 明 书 CN 102305914 A CN 102305921 A2/4 页 4 相电源 13 相连接。 0010 类型II， PWM整流方案， 包括同步发电机7， 同步发电机7的轴通过第二联轴器6与 三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 励磁电源 8 给同步发电机 7 提供励磁电流建立磁场， 同 步发电机 7 的电气输出端子 UVW 通过第三空气开关 14 与主动整流单元 15 的输入端子 UVW 相连接， 主动整流单元15的输出端与第二有源逆变单元16的输入端相连接， 第二。
13、有源逆变 单元 16 的输出端子 UVW 与第三三相电源 17 相连接。 0011 所述的双馈发电部件包括异步双馈发电机 18， 异步双馈发电机 18 的轴通过第一 联轴器 5 与三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 异步双馈发电机 18 定子绕组端子 ABC 通过 第五空气开关 21 与第四三相电源 22 相连接， 异步双馈发电机 18 的转子绕组端子 UVW 与四 象限变频器 19 的输出端子 UVW 相连接， 四象限变频器 19 的输入端子 L1L2L3 通过第四空气 开关 20 与第四三相电源 22 相连接。 0012 所述的变频器 2 是具有恒压频比控制、 矢量控制、 直接转矩控制功。
14、能之一或这些 控制功能组合的变频器。 0013 所述的同步发电机 7 是无刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。 0014 所述的整流单元 10 是二极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。 0015 所述的第一有源逆变单元 12， 第二有源逆变单元 16 是具有回馈功能的变频器或 PWM 整流电路。 0016 由于将同步发电机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件设置在一个实验装置内， 能 够对风力发电系统主结构和系统效率进行研究和评估， 对风力发电系统中各主要设备的运 行规律进行研究， 研究测试风力发电机的工作特性， 为开发、 研制、 测试变流器和风力发电 控制系统提供实验平台， 具有。
15、结构简单的特点。 附图说明 0017 图 1 为本发明的风力机特性模拟部件结构图。 0018 图 2 为本发明的同步发电机 - 全功率逆变部件结构图。 0019 图 3 为本发明的双馈发电部件结构图。 0020 图 4 为本发明的整体结构图。 0021 图 5 为风力机的工作特性。 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明的工作原理作详细说明。 0023 风力发电实验装置， 包括风力机特性模拟部件， 风力机特性模拟部件通过联轴器 组分别与同步发电机 - 全功率逆变部件和双馈发电部件相连。 0024 所述的风力机特性模拟部件包括三相交流异步电动机 1， 三相交流异步电动机 1 的电气端子 A。
16、BC 与变频器 2 的输出端 UVW 相连接， 变频器 2 的输入端 RST 通过第一空气开 关 3 与第一三相电源 4 相连接， 三相交流异步电动机 1 的两个轴上分别安装第一联轴器 5 和第二联轴器 6。 0025 所述的同步发电机 - 全功率逆变部件有两种实现方式 ： 0026 类型I， 直流斩波稳压升压方案， 包括同步发电机7， 同步发电机7的轴通过第二联 说 明 书 CN 102305914 A CN 102305921 A3/4 页 5 轴器 6 与三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 励磁电源 8 给同步发电机 7 提供励磁电流建 立磁场， 同步发电机 7 的电气输出端子 UVW。
17、 通过第二空气开关 9 与整流单元 10 的输入端子 UVW相连接， 整流单元10的输出端子与升压单元11的输入端相连接， 升压单元11的输出端 与第一有源逆变单元 12 的输入端相连接， 第一有源逆变单元 12 的输出端子 UVW 与第二三 相电源 13 相连接。 0027 类型II， PWM整流方案， 包括同步发电机7， 同步发电机7的轴通过第二联轴器6与 三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 励磁电源 8 给同步发电机 7 提供励磁电流建立磁场， 同 步发电机 7 的电气输出端子 UVW 通过第三空气开关 14 与主动整流单元 15 的输入端子 UVW 相连接， 主动整流单元15的输出端。
18、与第二有源逆变单元16的输入端相连接， 第二有源逆变 单元 16 的输出端子 UVW 与第三三相电源 17 相连接。 0028 所述的双馈发电部件包括异步双馈发电机 18， 异步双馈发电机 18 的轴通过第一 联轴器 5 与三相交流异步电动机 1 的轴相连接， 异步双馈发电机 18 定子绕组端子 ABC 通过 第五空气开关 21 与第四三相电源 22 相连接， 异步双馈发电机 18 的转子绕组端子 UVW 与四 象限变频器 19 的输出端子 UVW 相连接， 四象限变频器 19 的输入端子 L1L2L3 通过第四空气 开关 20 与第四三相电源 22 相连接。 0029 所述的变频器 2 可以。
19、是具有恒压频比控制、 矢量控制、 直接转矩控制功能之一或 这些控制功能组合的变频器。 0030 所述的同步发电机 7 是无刷励磁同步发电机或有刷励磁同步发电机。 0031 所述的整流单元 10 是二极管桥式整流电路或是变频器的输入部分的整流电路。 0032 所述的第一有源逆变单元 12， 第二有源逆变单元 16 是具有回馈功能的变频器或 PWM 整流电路。 0033 参照图 1， 风力机特性模拟部件， 采用变频器 - 三相交流异步电动机系统来模拟风 力机的工作特性， 主要功能就是将电能转化为机械能， 风力机工作原理如图 5 所示， 粗线条 为功率曲线。 根据变速恒频风力发电机组的不同运行区域，。
20、 风力机的基本工作过程为 ： 当低 于额定风速， 且风力机组的转速未达到极限时， 机组工作在恒 Cp区， 机组跟踪 popt( 最佳功 率 ) 曲线运行， 如图 5 中的风速 v1 v2和功率曲线 AB 段， 以获得最大能量 ； 当低于额定风 速， 但机组达到转速极限时， 机组工作在恒转速区， 如图 5 中风速 v2 v3和功率曲线 BC 段， 此时机组保持转速不变， 功率随风速增加 ； 当高于额定风速而低于切出风速时， 机组工作在 恒功率区， 如图中风速 v3 vmax和功率曲线 CD 段， 机组跟踪 pmax曲线运行， 并保持输出功率 稳定。 0034 风力机特性模拟就是协调控制三相交流异。
21、步电动机 1 的转速和转矩， 使得三相交 流异步电动机 1 的轴上的输出机械特性 ( 转矩和转速特性 ) 与风力机轴上的机械特性相一 致。因此变频器 2 的转速、 转矩给定方案为 ： 恒 Cp区时， 转速由不同风速的最佳叶尖速比确 定， 转矩为最佳功率和转速之商 ； 恒转速区时， 转速为机组的额定转速， 转矩由风速所对应 的功率和转速来确定 ； 恒功率区时， 转速由风速对应的机组转速来确定， 转矩为恒定功率和 转速之商， 当风力机型号确定后， 以上参数都可以能过计算得出。 0035 参照图 2， 同步发电机 - 全功率部件， 将实验系统中的三相交流异步电动机 1 的输 出轴通过第二联轴器 6 。
22、与同步发电机 7 的轴相连接， 就构成全功率逆变型同步风力发电实 验装置。同步发电机 7 输出电压的频率只取决于同步发电机 7 的转速， 因此在变速风力发 说 明 书 CN 102305914 A CN 102305921 A4/4 页 6 电机组中， 同步发电机 7 发出的是 “杂乱” 交流， 必须经过整流和有源逆变才能并网， 同步发 电机 7 接收风力机模拟部件的机械能开始运转， 施加一定的励磁， 同步发电机 7 便发出 “杂 乱” 交流电。 0036 在本发明的 I 型系统中， 将同步发电机 7 发出的 “杂乱” 交流电经过整流单元 10 变 成直流电， 由于同步发电机 7 的转速同样会。
23、影响到发电机输出电压的幅值， 因此整流后的 直流电压可能不能满足逆变的要求， 所以需要进行直流升压， 当把达到逆变要求的直流电 压送到第一有源逆变单元 12 就完成了并网发电。 0037 在本发明的 II 型系统中， 采用 PWM 整流电路直接将同步放电机 7 发出的 “杂乱” 交 流整流成满足逆变要求的直流电压， 然后直接送到第二有源逆变单元 16 完成并网发电。 0038 此时， 能量首先以电能的形式传递给风力机特性模拟部件， 风力机模拟部件将电 能转化为机械能传递给同步发电机 7， 同步发电机 7 将机械能再转化为非标准形式电能， 电 力电子电路将这种非标准形式的电能处理后传递回电网。 。
24、0039 参照图 3， 双馈风力发电部件， 将实验系统中的三相交流异步电动机 1 的一个输出 轴通过第一联轴器 5 与异步双馈发电机 18 的轴相连接， 就构成异步双馈风力发电实验模 块。当风速的变化引起异步双溃发电机 18 转速 n 变化时， 控制转子电流的频率 f2， 可使定 子频率 f1恒定， 即应满足 f1 p(fmf2)， 0040 式中 f1为定子电流频率， 与电网频率相同， fm n/60 为转子机械频率， p 为电机 的极对数， f2为转子电流频率。f1是系统的约束条件。 0041 当转子转速低于定子旋转磁场转速时， 异步双馈发电机 18 处于亚同步状态， 此时 四象限变频器 。
25、19 向发电机转子提供一交流电流， 频率 f2 (f1-fm)/p， 形成的旋转磁场与 转子旋转方向相同， 此时异步双馈发电机 18 的定子绕组向电网输出功率， 转子绕组吸收功 率 ； 当转子的转速高于定子旋转磁场的转速时， 发电机 18 处于超同步状态， 此时四象限变 频器19向发电机转子提供一交流电流， 频率f2(fm-f1)/p， 形成的旋转励磁与转子旋转方 向相反， 此时异步双馈发电机 18 的定子绕组、 转子绕组同时输出功率 ； 当转子转速等于异 步双馈发电机18的同步转速n0时， 处于同步状态， 四象限变频器19向转子提供直流励磁建 立转子磁场。因此， 当发电机的转速变化随风速而发。
26、生变化时， 控制四象限变频器 19 向异 步双馈发电机 18 的转子绕组的输入 f2， 就可使保持 f1恒定不变， 即与电网频率保持一致， 也就实现了异步双馈发电机的并网发电。 0042 能量的流动形式为， 风力机模拟部件将电能转化为机械能， 异步双馈发电机 18 吸 收机械能而形成一定的转速， 当转速低于同步转速时， 异步双馈发电机 18 转子回路再通过 四象限变频器 19 接收一少部分电能， 异步双馈发电机 18 将吸收的机械能转化为电能通过 定子绕组送回电网 ； 当转速高于同步转速时， 异步双馈发电机 18 将吸收到的机械能转化为 电能通过定子绕组直接、 转子绕组间接送回电网。 说 明 书 CN 102305914 A CN 102305921 A1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102305914 A CN 102305921 A2/4 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102305914 A CN 102305921 A3/4 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 102305914 A CN 102305921 A4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 102305914 A 。