一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统。包括晶闸管调速机构、直流电动机、双馈感应发电机、转子侧变换器、网侧变换器、DSP控制模块、电容器、用于检测电容器电压和三相电源电压以及定子输出电压的电压检测模块、用于检测网侧变换器输入电流和用于检测转子侧变换器输出电流的电流检测模块、用于检测双馈发电机转速的光电编码器模块、以及用于两个DSP控制模块通信的SPI模块；本实用新型专利技术结构简单，搭建方便，成本低，易于实现，可以使双馈发电机DFIG在不同转速下发出工频交流电，实现变速恒频运行，并且可以清晰观察双馈发电机定子侧所发电压波形，本实用新型专利技术可以实现并网前空载运行，可为高校及研究所提供了风力发电模拟实验平台。

A wind power generation simulation system for doubly fed generator in laboratory

The utility model discloses a wind power generation simulation system for a doubly fed generator in laboratory. It includes the thyristor speed regulation mechanism, the DC motor, the doubly fed induction generator, the rotor side converter, the net side converter, the DSP control module, the capacitor, the voltage detection module for detecting the voltage of the capacitor and the three-phase power supply and the stator output voltage, used to detect the input current of the network side converter and for the detection of the rotor. The current detection module for the output current of the side converter, the photoelectric encoder module used to detect the rotating speed of the doubly fed generator, and the SPI module for communication between the two DSP control modules. The utility model is simple in structure, convenient in building, low in cost and easy to be realized, so that the DFIG of the doubly fed generator can be exchanged for power frequency at different speeds. It can realize the variable speed constant frequency operation, and can clearly observe the voltage wave of the stator side of the doubly fed generator. The utility model can realize the unloaded operation before the grid, and can provide the simulation experiment platform for the wind power generation for the University and the Research Institute.

【技术实现步骤摘要】
一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统
本技术涉及新能源发电领域，特别是涉及一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统。
技术介绍
风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注。而风力发电系统又是一个复杂的能量转换系统，无论是系统控制策略的验证还是驱动变流器的检验仅仅通过计算机软件仿真模拟还不足以证明软件、硬件设计的可靠性。现在研究风力发电技术的最好方法就是在真实的风场中进行实验，在真实的风场中让风力机直接与风力发电机相连，但是现实风场中的自然风不受控制，一些风力机的特殊实验也收到一些限制，而且实验过程中所需要的固定风速也不好采集，所以在实验室搭建风力发电模拟系统是十分必要的。在实验室搭建模拟系统可以模拟出不同风速情况下发电系统实验，可以进行风力发电系统的控制和稳定性的研究。目前，大部分双馈发电机风力发电模拟系统中用异步电动机来模拟风机。异步电动机不像直流电动机可以直接通过控制电机的电枢电流，从而实现电动机的电磁转矩控制。异步电动机控制更加复杂，对转速的精确控制也不容易实现，异步电动机很难对风力机特性进行模拟。目前，成套的双馈发电机风力发电模拟系统价格昂贵，大部分高校及研究所没有此系统，因此自己搭建双馈发电机风力发电模拟系统很有必要。
技术实现思路
本技术专利技术的目的在于提供一种基于DSP控制模块控制、采用晶闸管调速机构给直流电动机调速、可以实现变速恒频发电的实验室用双馈发电机风力发电模拟系统。在电动机转速发生变化时，利用光电编码器模块给DSP2控制模块发送双馈发电机转速信息，DSP2模块通过自带数码管显示转速数据。利用电压电流检测模块对转子侧电流和直流母线侧电压进行实时监测。和网侧相连的PWM变换器采用电网电压定向控制策略保持直流母线电压的稳定、保证输入电流正弦和控制输入功率因数。与电机转子侧相连的PWM变换器采用定子磁链定向策略实现对双馈发电机DFIG定子输出有功、无功功率控制，与电机转子侧相连的PWM变换器的控制目标就是实现对转子两分量电流的有效控制。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统，其特征在于，包括：与直流电动机相连的晶闸管调速机构、控制晶闸管调速机构的DSP3控制模块、直流电动机、双馈发电机DFIG、双PWM变换器包括与电机转子侧相连的PWM变换器、和网侧相连的PWM变换器、与双PWM变换器并联的直流母线电容、控制网侧PWM变换器的DSP1控制模块、控制转子侧PWM变换器的DSP2控制模块、两个DSP控制器用的SPI通信接口、与双馈发电机转子连接的光电编码器模块、电压检测模块、电流检测模块、与双馈发电机DFIG定子相连的示波器。其中，DSP3模块自带按键模块，DSP2控制模块自带数码管。直流电动机与双馈发电机DFIG通过联轴器连接，双馈发电机DFIG另一侧轴与光电编码器模块轴固定连接，电压检测模块、电流检测模块都与DSP1控制模块、DSP2控制模块相连，光电编码器模块与DSP1控制模块相连，DSP2控制模块与晶闸管调速机构相连。其特征是：电压检测模块把三相电源输入电压、直流侧电容电压、双馈发电机DFIG定子侧输出电压采样，然后把采样的电压经过转换输入到DSP1控制模块中。DSP1控制模块和DSP2控制模块通过SPI通信接口共享电压信号数据。电流检测模块对三相电源输入网侧相连的PWM变换器的电流、与电机转子侧相连的PWM变换器输入双馈发电机DFIG的电流进行采样，然后把采样的电流经过电流转换输入到DSP2控制模块中。DSP2控制模块和DSP1控制模块通过SPI通信接口共享电流信号数据。DSP1控制模块通过控制驱动模块进而控制与网侧相连的PWM变换器实现直流母线电压稳定。DSP2控制模块通过控制驱动模块进而控制与转子侧相连的PWM变换器实现双馈发电机DFIG定子电压频率恒定在工频，定子电压输出幅值稳定。本技术所述的一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）直流电动机的模型简单是模拟风力机的有效工具，当采用调节电枢电压来调节直流电动机转速时，直流电动机控制就会十分简单并且调速范围宽广、调速性能也会十分优越。所以本实验系统采用直流电动机对风力机的输出功率和输出转矩特性进行模拟，使得直流电动机可以代替风力机来驱动风力发电机；（2）本双馈发电机风力发电模拟系统中双PWM变换器包括双PWM变换器驱动电路，选用智能功率模块IPM来实现。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到DSP控制器。本系统使用三菱公司的PM150CLA120型IPM；（3）本双馈发电机风力发电模拟系统中，晶闸管调速机构选用三相桥式晶闸管移相调速电路；（4）双馈发电机定子可以输出频率恒定幅值恒定的交流电。双馈发电机转速发生改变后，DSP2控制模块控制智能功率模块IPM从而使与转子侧相连接的变换器输出需要频率的交流电。与网侧连接的PWM变换器采用电网电压定向控制策略，实现直流侧电容电压的稳定，与转子侧连接的PWM变换器采用定子磁链定向策略，实现双馈发电机DFIG定子电压稳定。附图说明附图1是一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统结构示意图附图2是直流电压检测采样电路图附图3是电流检测电路采样电路图附图4是交流电压检测采样电路图附图5是三相桥式晶闸管移相调速电路图图例说明：1、晶闸管调速机构；2、直流电动机；3、双馈发电机DFIG；5、转子侧PWM变换器；4、网侧PWM变换器；6、直流母线电容；7、DSP1控制模块；8、DSP2控制模块；9、SPI通信接口；10、光电编码器模块；11、电压检测模块；12、电流检测模块；13、示波器；14、DSP3控制模块；具体实施方式以下结合说明书附图对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。如附图1所示，本技术设计了一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统。包括晶闸管调速机构（1）、直流电动机（2）、双馈发电机DFIG（3）、转子侧PWM变换器（5）、网侧PWM变换器（4）、直流母线电容（6）、DSP1控制模块（7）、DSP2控制模块（8）、SPI通信接口（9）、光电编码器模块（10）、电压检测模块（11）、电流检测模块（12）、示波器（13）、DSP3控制模块（14）等硬件。所述晶闸管调速机构（1）输入端与实验室三相电源连接，晶闸管调速机构（1）输出端与直流电动机（2）定子电路相连接，进一步地直流电动机（2）轴和双馈发电机DFIG（3）轴通过联轴器相连接；双馈发电机DFIG（3）定子侧连接示波器（13）；网侧PWM变换器（4）以及转子侧PWM变换器（5）与直流母线电容（6）并联连接；网侧PWM变换器（4）连接至实验室三相电源输入端；转子侧PWM变换器（5）连接至双馈发电机DFIG（3）转子输入端；DSP1控制模块（7）与网侧PWM变换器（4）相连接；DSP2控制模块（8）与转子侧PWM变换器（5）相连接；DSP1控制模块（7）与DSP2控制模块（8）通过SPI通信接口（9）相连接；DSP3控制模块（14）与晶闸管调速机构（1）相连接；电压检测模块（11）分别检测网侧PWM变换器（4）进线端电压、直流母线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统，其特征在于，包括：与直流电动机相连的晶闸管调速机构（1）、直流电动机（2）、双馈发电机DFIG（3）、双PWM变换器包括与电机转子侧相连的PWM变换器（5）、和网侧相连的PWM变换器（4）、与双PWM变换器并联的直流母线电容（6）、控制网侧PWM变换器的DSP1控制模块（7）、控制转子侧PWM变换器的DSP2控制模块（8）、两个DSP控制器用的SPI通信接口（9）、与双馈发电机转子轴连接的光电编码器模块（10）、电压检测模块（11）、电流检测模块（12）、与双馈发电机DFIG定子相连的示波器（13）以及对晶闸管调速机构控制的DSP3模块（14），直流电动机（2）与双馈发电机DFIG通过联轴器连接，双馈发电机DFIG（3）另一侧轴与光电编码器模块（10）轴固定连接，电压检测模块（11）、电流检测模块（12）与DSP1控制模块（7）、DSP2控制模块（8）相连，光电编码器模块（10）与DSP1控制模块（7）相连。

【技术特征摘要】
1.一种实验室用双馈发电机风力发电模拟系统，其特征在于，包括：与直流电动机相连的晶闸管调速机构（1）、直流电动机（2）、双馈发电机DFIG（3）、双PWM变换器包括与电机转子侧相连的PWM变换器（5）、和网侧相连的PWM变换器（4）、与双PWM变换器并联的直流母线电容（6）、控制网侧PWM变换器的DSP1控制模块（7）、控制转子侧PWM变换器的DSP2控制模块（8）、两个DSP控制器用的SPI通信接口（9）、与双馈发电机转子轴连...

【专利技术属性】
技术研发人员：付敏，刘健，邓佳慧，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23