[发明专利]一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置

说明书

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，包括模拟器控制系统和机电随动系统，所述模拟器控制系统包括软件系统和硬件系统，所述模拟器控制硬件系统包括工控机、数据采集卡。所述模拟器控制软件系统包括风速生成模型、风机尖速比估计模型、风机桨距角控制模型、风能利用系数模型、风剪切及塔影效应补偿模型、风力发电机传动链模型、感应发电机模型，所述机电随动系统包括可编程控制器、直流母线电源模块、变频驱动单元、变频发电单元、驱动电机、负载电机、转速转矩仪、试验台架。本发明用于实验室环境下风力发电过程的模拟和风力发电控制策略的研究应用。

技术领域

本发明涉及一种风力发电模拟装置，特别是具有风剪切和塔影效应并用于模拟真实工况风力发电过程的试验装置及方法。

背景技术

风力发电机一般安装在地处戈壁、荒野、高山等风能资源较好的偏远区域，运行环境较为恶劣。风电齿轮箱作为风力发电机中的核心部件，长期运行于剧烈的交变载荷工况下。此外，偏远地区的昼夜温差、风沙影响，风电齿轮箱制造、装配误差以及自身的磨损、润滑不良的因素，均会造成风电齿轮箱部件的损伤。一旦设备因故障而发生停机，不仅维修难度较大且维修成本高昂，造成的经济损失亦不可估量。面对上述风力发电过程中可能出现的问题，有必要采取相关技术手段对风力发电过程进行研究，从而保障风力发电机组的安全可靠性，提升风力发电的效益。

传统的风电齿轮箱试验台作为仅用于产品研发、出厂、定型的试验装置，往往只能对风电齿轮箱进行一些基础试验；而自然风具有较强的不确定性，且风电齿轮箱的现场环境恶劣，难以对风电齿轮箱的运行工况进行有效且可控的复现。此外，受限于全功率风电齿轮箱的试验环境和试验成本，无法在实验室环境下有效模拟风力发电运行过程中的瞬态特性和稳态特性。因此，有必要在实验室环境下构建风力发电模拟试验平台，可控复现风力发电过程。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种尺度缩小且具有真实工况的风力发电模拟装置及方法，用于实验室环境下风力发电过程的模拟和风力发电控制策略的研究应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置，所述装置包括模拟器控制系统和机电随动系统，所述模拟器控制系统包括软件系统和硬件系统，所述模拟器控制硬件系统包括工控机、数据采集卡，所述模拟器控制软件系统包括、风速生成模型、风机尖速比估计模型、风机桨距角控制模型、风能利用系数模型、风剪切及塔影效应补偿模型、风力发电机传动链模型和感应发电机模型；所述机电随动系统包括可编程控制器、直流母线电源模块、变频驱动单元、变频发电单元、驱动电机、负载电机、转速转矩仪、试验台架，所述直流母线电源模块与所述变频驱动单元、所述变频发电单元通过直流母线连接，实现直流能量共享；所述变频驱动单元与所述驱动电机连接，所述变频发电单元与所述负载电机连接；所述可编程控制器通过工业以太网分别与所述变频驱动单元、所述变频发电单元连接，所述驱动电机、所述转速转矩仪与所述负载电机依次沿轴线安装在所述试验台架上，所述驱动电机的输出轴与所述转速转矩仪的一端连接，所述转速转矩仪的另一端与所述负载电机的输出轴连接。

进一步，所述数据采集卡与所述转速转矩仪连接，实时测量风力发电模拟装置的动力学工况。

再进一步，所述工控机与所述可编程控制器通过工业以太网连接，实现实时控制数据下发。

更进一步，所述可编程控制器与所述变频驱动单元、所述变频发电单元分别通过高速数据总线连接。

再进一步，所述驱动电机和所述负载电机为三相异步交流电机，所述驱动电机处于正向电动状态，用以模拟风电齿轮箱的高速轴输出动力源，所述负载电机处于反向回馈发电状态，用以模拟风力发电机。

更进一步，所述变频驱动单元通过矢量转矩控制方式控制所述驱动电机输出给定转矩，所述变频发电单元通过矢量转速控制方式控制所述驱动电机输出给定转速。