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风力发电
方案概述

    风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程。风力发电系统承担后一种能量转换。一个完整的风力发电系统中包括风力机械、发电机、储能装置、电能变换装置、负载或者电网。利用Saber软件强大的电力电子仿真与分析能力,对系统的中发电机、储能装置、电能变换装置、负载或者电网进行建模,仿真。

需求与挑战

    随着空气动力学、材料学、计算机技术和电力电子技术等的不断发展,风力发电技术的发展极为迅速,单机容量不断扩大,从最初的几十千瓦向数兆瓦的级别发展。大型并网风力发电机组对系统运行的可靠性、发电质量和风能利用率等提出了更高的要求,

    

解决方案

     在风力发电技术方面,目前世界上流行的风电技术大体上可分为恒速恒频(CSCF)和变速恒频(VSCF)两大类。变速恒频风力发电技术是20世纪末发展起来的一种新型发电技术,它将电力电子技术、矢量控制技术和微机信息处理技术引入到发电机的控制中,从而获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。由于风速的不断变化,风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器变换成直流电,然后通过逆变器变换为恒定电网频率的交流电。 

直驱式风力发电变流系统拓扑图

      在Saber的仿真环境中,利用丰富的器件模板库和MAST语言建模能力,能够搭建完整的系统模型:
  • SABER器件库中提供各种类型的发电机模型,这些模型都是根据成熟的发电机数学模型应用MAST语言建立的Saber仿真模型,作为常用的基本器件置于器件库中提供给用户直接调用。根据器件的属性设计对话框,可以设置三相同步发电机基本属性,相关参数,得到上图中的发电机模型。
  • 变流器中的主电路中的电阻、电容、电感、电压源等均采用SABER 提供的模型,对于控制电路部分,用到的滤波器、整形、控制电压给定、电压调节器、PWM控制器和直流中间电压动态过压限制器等,滤波器可采用SABER 提供的模型,其余的模块使用MAST 语言建立。
      在系统模型搭建完毕之后,可以通过Saber提供的各种分析功能进行仿真,并通过专门的波形查看工具CosmosScope来进行波形测量、对比。
      
     针对于风力发电系统的设计特点,Saber主要有以下的特点:
  • SABER秉承了模块化(Modular)、自顶向下(Top-down)、层次化(Hierarchy)的设计思想,增强了设计的科学性,提高了设计效率。SABER是通过硬件描述语言实现其真正的Top-down理念的,模拟和混合信号器件的模型采用MAST语言来描述,同时还可以读取C, C++及Fortran语言写的器件模型,而规模大的数字器件则用VHDL或Verilog来描述。这种兼容性允许你建模并仿真在模拟及数字领域的行为器件、功能器件及原始层面上的器件。
  • SABER具有丰富的模型,它的模型库中包括了电力电子、机械、液压等领域的各种常用模型。
  • 顺序使用了5种强大算法,有效控制开关电源电路的仿真收敛性能
  • SABER提供了强大的系统分析功能。设计者可以从各个方面对系统进行考察。在时域方面有直流分析(DC Analysis)、瞬态分析(Transient Analysis)等;在频域方面有傅立叶分析(FFT) ,频响分析(Small-Signal Frequency Analysis)、畸变分析(Small-Signal Distortion Analysis)等。SABER还可用于应力分析(Stress Analysis)及统计学方面的蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)o SABER还有一个非常实用的分析功能—参数敏感性分析(Parametric Sensitivity Analysis),利用这种分析功能,设计者可以控制一个或几个参数在一定的范围内变化,观察它们对系统特性的影响,从而找出它们最合适的数值来。
  • SABER不仅对数模混合系统仿真得心应手,而且可以对由电力电子、电磁、机械、液压等数个不同系统构成的一个混合系统进行仿真,这种强大的混合仿真能力其实是SABER的最大优点。
 
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