一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及涉及实验教学仪器及新能源风力发电研究与应用领域，尤其涉及一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置。


背景技术：

2.随着全球经济的日益增长，人们对能源的需求量越来越大，而传统的一次能源也是在日益枯竭。所以新能源的开发、研究势在必行。目前，应用较为广泛的新能源是风能、太阳能、水能等。大部分的太阳能新能源都是利用光伏发电实现的转换。光伏发电是将太阳能转化为电能，最终输出直流电的电力设备。
3.光伏发电技术在当前能源紧张和低碳要求的背景环境下，得到了极大的重视和越来越普遍的研究、应用。但是传统的太阳能发电受到阳光照射强度的不确定性影响，不宜在实验室研究、教学，这给太阳能发电的研究发展和教学实验带来了不便。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是在于为风力发电领域的进一步发展，提供一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，其在hil数据采集卡连接电脑主机和电机控制/驱动柜，从而控制电机，实现电机的控制指令和运行数据的双向传输,形成一个硬件在环仿真测试，从而保证电机按照用户预期的规律运行，用电机不同规律的旋转来模拟真实风力发电场景中的自然风，用连接筒把电机的轴和同步发电机的轴相连，用同步发电机来代替风力发电机以此来模拟风力发电。
5.本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，包含电脑主机，还包括hil数据采集卡、电机控制/驱动柜、电机、直流发电机、三相整流模块、保护及检测模块和三相桥式全控逆变模块；
7.其中，所述hil数据采集卡包含数字i/o口、编码信号输入口、编码信号输出口、模拟信号输入口、模拟信号输出口，
8.所述电机控制/驱动柜包含pwm控制信号、电压电流测量口、三相逆变电压输出口、编码器信号输入输出口，所述pwm控制信号、电压电流测量口、三相逆变电压输出口、编码器信号输入输出口都设有相应的外部接口；
9.所述hil数据采集卡和电脑主机相连，用于把电脑主机的实时运行指令传输到电机控制/驱动柜，以及把电机的运行数据采集后实时反馈到电脑主机；
10.所述hil数据采集卡的数字i/o口和电机控制/驱动柜的pwm控制信号相连，用于控制电机控制/驱动柜进行三相逆变，输出不同占空比、频率的pwm控制信号，进而逆变出不同频率和幅值的电压，连接到电机，从而控制电机按照预期规律旋转；
11.所述hil数据采集卡的编码信号输入口和电机控制/驱动柜的编码器信号输入输出口相连，用于把电机的运行数据通过hil数据采集卡上的编码输入口和电脑主机相连，进
而读取电机的运行数据，进而控制电机按照用户预期的自然风速带动风力发电机旋转的规律运行，从而带动直流发电机发电；
12.所述三相整流模块、保护及检测模块和三相桥式全控逆变模块是三个相互独立的模块，且均设有外部接口，用于和hil数据采集卡相连，接收hil数据采集卡的控制信号，且通过电力电子的交流
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直流
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交流变换得到用户预期的电能参数。
13.作为本实用新型一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置的进一步优选方案，还包含电机连接筒，所述电机和同步发电机的轴通过电机连接筒固定，形成同轴电机，所述电机同轴旋转带动同步发电机旋转发电，用于模拟风力发电机的扇叶旋转带动风力发电机的旋转进而发电。
14.作为本实用新型一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置的进一步优选方案，所述电机包含电机编码信号输出口和电机驱动电压口。
15.作为本实用新型一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置的进一步优选方案，所述电脑主机采用装有matlab软件的电脑，且安装有simulink仿真软件。
16.作为本实用新型一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置的进一步优选方案，通过simulink仿真软件控制三相整流模块、保护及检测模块以及三相桥式全控逆变模块进行电力电子的交流
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直流
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交流变换，输出预期的电能参数值，进而模拟风力发电机中的变流器。
17.本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
18.1、本实用新型提供一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，其在hil数据采集卡连接电脑主机和电机控制/驱动柜，从而控制电机，实现电机的控制指令和运行数据的双向传输,形成一个硬件在环仿真测试，从而保证电机按照用户预期的规律运行，用电机不同规律的旋转来模拟真实风力发电场景中的自然风，用连接筒把电机的轴和同步发电机的轴相连，用同步发电机来代替风力发电机以此来模拟风力发电；
19.2、本实用新型专利为风力发电领域的进一步发展，提供一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，simulink仿真软件结合电机和直流发电机组成半实物的实时仿真平台，可为科研和教学提供便利，本实验装置的程序、控制算法直接在matlab/simulink软件环境下编写，并且可做到实时运行、仿真；用户可把重点放在新能源太阳能发电领域的电压稳定输出、并网电能参数调节整定等控制算法编写和研究上，对以后太阳能发电的研究发展有着重要意义。
附图说明
20.图1为本实用新型提供的实验装置模拟风力发电的流程图；
21.图2为本实用新型提供的实验装置可以完成电力电子类和电机控制类实验示意图；
22.图3为本实用新型提供的实验装置示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
24.一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，包括装有matlab软件的电
脑，hil数据采集卡，电机控制/驱动柜，电机，同步发电机，电机连接筒、三相整流模块、保护及检测模块、以及三相桥式全控逆变模块等构成。
25.所述的hil数据采集卡，有数字i/o口，编码信号、模拟信号输入输出口，可以和电脑主机相连并且和simulink软件兼容，用户可以在simulink中编程控制hil数据采集卡的各输入输出口，从而和外部硬件形成一个硬件在环仿真。
26.所述的电机控制/驱动柜中包括单相整流单元、三相逆变单元、控制输入信号隔离单元、三相逆变后的电压电流检测单元以及编码器信号的输入输出口，其中各个单元都设有相应的外部接口。
27.所述的三相整流模块、保护模块以及三相桥式全控逆变模块是三个相互独立的模块。且也存在外部的控制接口，可以和hil数据采集卡相连，接收hil数据采集卡的控制信号，也可以利用这些可控的模块完成电力电子的各类基础实验，通过电力电子的交流
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直流
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交流变换得到用户预期的电能参数。
28.其中，hil数据采集卡和电脑主机相连，把simulink仿真软件中所编写的程序的实时运行指令传输到电机控制/驱动柜，以及把电机的运行数据采集后实时反馈到仿真软件所编写的程序中，起到一个纽带的作用，形成一个硬件在环仿真。
29.hil数据采集卡上的编码信号输入口和电机控制/驱动柜的编码信号输出口相连，把电机的运行数据通过采集卡上的编码输入口和电脑主机相连，可以使simulink仿真软件中的程序读取电机的运行数据，进而更好的控制电机，按照用户预期的自然风速带动风力发电机旋转的规律运行。
30.用户可以在simulink仿真软件中编写程序使hil数据采集卡输出pwm（pulse width modulation）控制波，从而控制电机控制/驱动柜进行三相桥式逆变。通过输出不同占空比、频率的pwm控制信号，可以逆变出不同频率和幅值的电压，从而控制主电机按照预期规律旋转。
31.其中hil数据采集卡输出的pwm信号需要先连接到主电机控制/驱动柜的控制信号隔离单元的外部接口，再进行逆变。这样的目的是为了当后级驱动电路发生故障时可以有效的保护hil数据采集卡和上位机。
32.本实用新型提供一个同步发电机，电机控制/驱动柜所驱动的电机和同步发电机的轴通过连接筒固定，形成同轴电机。电机同轴旋转带动同步发电机旋转发电，这样来模拟风力发电机的扇叶旋转带动风力发电机的旋转进而发电。
33.从仿真软件中编写不同的电机运行规律的程序，来模拟在不同自然风力的情况下，风机叶片的旋转带动风力发电机旋转的规律。从而为研究风力发电控制算法的用户以及实验教学用户提供良好的实验平台。
34.作为一种模拟风力发电的教学和科研平台，本实用新型在同步发电机的后级硬件电路中设计有独立的三个独立的三相整流模块、保护模块、检测模块以及三相桥式全控逆变模块，这些模块和hil数据采集卡相连，通过simulink仿真软件中的程序控制这些可控模块还可以完成电力电子的各类基础实验，进行电力电子的交流
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直流
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交流变换，输出实验人员预期的电能参数值，进而模拟风力发电机中的变流器的效果。
35.仿真软件中编写的程序不同，电机的运行规律也就不同，通过电力电子的交流
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直流
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交流变换后的电能参数也就不同。也就正好的模拟了不同的风速条件下风力发电的场
景，从而为用户提供了良好的新能源风力发电实验和科研平台，实验装置模拟风力发电示意图，如图1所示，用matlab/simulink仿真软件，hil数据采集卡，电机控制、驱动柜，电机带动同步发电机四个单元模拟真实风力发电场景中的风力发电机，输出交流电压；用三相整流模块，检测及保护模块，三相逆变模块模拟真实风力发电场景中的变流器，输出预期电能参数的电压。
36.进一步，本实用新型专利还可以作为电力电子及电机控制学科的教学实验装置。
37.考虑到本实用新型作为一种电力电子及电机控制学科的教学实验装置，方便用户在进行不同实验，这时需要把同轴电机的连接筒去掉，就可以进行电机控制的实验。进一步，若把电机的动力线和反馈检测线去掉，就可以进行相应的电力电子相关实验。
38.用户只需要更改电机控制/驱动柜外部的连线，及修改相应的仿真软件中的程序即可，还可以用仿真软件中的scope（示波器）实时观察实验硬件电路的实验效果。具体的可以完成的实验有：单相交流逆变，三相交流逆变，变频电源等电力电子类实验，电机自动控制实验、可测量电机转速、启动电压、启动电流等实验，如图2所示。
39.本实用新型中，利用hil数据采集卡上的各个信号输入输出口为纽带，把电脑里仿真软件中编写的程序和外部的硬件实物电路联系起来，组成一种半实物实时仿真的模拟风力发电的教学实验装置。
40.本实用新型的益处在于，所有控制算法直接在matlab/simulink软件环境下编写，并且利用hil数据采集卡可以做到实时运行、仿真。用户可以把重点放在新能源风力发电领域的控制算法编写和研究上，并且控制程序直接在matlab/simulink中以s函数、m文件、simulink模块库中的模块等形式编写，具有编程直观、方便等优点，可以完成不同学科的基础实验；同时也是一种适合电力电子、电机控制课程的教学和科研的实验装置。
41.具体实施例如下：
42.一种半实物实时仿真的模拟风力发电教学实验装置，包括装有matlab软件的电脑主机，硬件在环仿真（hil）数据采集卡，电机控制/驱动柜，电机，同步发电机，电机连接筒，三相整流模块，保护及检测模块以及三相桥式全控逆变模块等构成。
43.所述硬件在环仿真（hil）数据采集卡，有数字i/o口，编码信号、模拟信号输入输出口，可以和电脑主机相连并且和simulink软件兼容，用户可以在simulink中编程控制hil数据采集卡的各输入输出口。
44.所述的电机控制/驱动柜中包括单相整流单元、三相逆变单元、控制输入信号隔离单元、三相逆变后的电压电流检测单元以及编码器信号的输入输出口，其中各个单元都设有相应的外部接口。
45.所述的三相整流模块，保护及检测模块以及三相桥式全控逆变模块是三个相互独立的模块。且也存在外部的控制接口，可以和hil数据采集卡相连，接收hil数据采集卡的控制信号。
46.在本实用新型中用于模拟风力发电实验教学的具体实施方式如下：
47.模拟风力发电实验装置的示意图如图3所示，图中电脑1和hil数据采集卡2相连，可以实现hil数据采集卡采集到的数据返回到实时仿真软件里所编写的程序中，也可以实现把仿真软件中程序的实时运行指令发送到相应的驱动器。
48.图3所示的数字i/o口（pwm信号输出）8和pwm控制信号10相连，其目的在于可以通
过在仿真软件中编写程序输出pwm，从而控制电机控制/驱动柜进行三相逆变。输出不同占空比、频率的pwm控制信号，进而可以逆变出不同频率和幅值的电压，连接到电机，从而控制电机按照预期规律旋转。
49.进一步，还需要把主电机上的编码信号输出口14和主电机控制柜的编码信号输入口13相连，其目的在于把编码信号在主电机控制/驱动柜里进行一定处理后，可以直接连接到hil数据采集卡的编码信号输入口5，以供仿真软件中的程序读取。
50.进一步，需要通过电机连接筒16把电机和同步发电机的轴固定连接，形成一个同轴电机。这样就可以实现，通过提供不同规律的电机旋转带动同步发电机旋转发电，以此来模拟风力发电机叶片带动风机旋转发电。
51.为了得到预期的电能参数，本实用新型专利在同步发电机的后级输出电路设有保护及检测模块18，三相整流模块19，三相逆变模块20，并且这模块都有外部的控制接口，可以和hil数据采集卡的模拟输入口3，数字i/o口7相连，实现控制信号传输和检测信号的反馈，通过simulink仿真软件中的程序控制这些可控模块还可以完成电力电子的各类基础实验；通过对输出电压的电力电子交流
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直流
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交流变换，使模拟风力发电实验装置的输出端得到预期的电能参数。起到真实风力发电并网过程中变流器的作用。
52.进一步，本实验装置的所有控制算法直接在matlab/simulink软件环境下编写，可以做到实时运行、仿真，用户可以把重点放在新能源风力发电领域的控制算法编写和研究上。
53.进一步，本实用新型专利还可以作为电力电子及电机控制教学的实验装置。具体实施方式如下：
54.进行电力电子和电机控制类实验时，需要把图3所示的同轴电机的连接筒16去掉，仅使用电机和电机控制柜即可完成相应的实验。
55.考虑到本实用新型作为一种教学的实验装置，所以在电机控制/驱动柜的各个单元都留有可以连接外部可控信号的接口。方便用户在进行不同实验的时候，只需要更改主电机控制/驱动柜外部的连线，及修改相应的仿真软件中的程序即可。
56.本实验装置的控制程序在matlab/simulink中以s函数、m文件、simulink模块库中的模块等形式编写，因此可以方便的用仿真软件中的scope（示波器）实时观察实验硬件电路的实验效果。具体的可以完成的实验有：单相交流逆变，三相交流逆变，变频电源等电力电子类实验，电机自动控制实验，可测量电机转速、启动电压、启动电流等数据
57.以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。