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雙饋風(fēng)力發(fā)電機模擬試驗臺,大型變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電仿真實訓(xùn)裝置

1. 概述

   3.0KW雙饋式風(fēng)力發(fā)電實驗室模擬系統(tǒng)，是根據(jù)目前國際上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)應(yīng)用較廣泛的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計的模擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模擬變速恒頻風(fēng)力機組并網(wǎng)發(fā)電的功能及特性，為風(fēng)電行業(yè)科研、教學(xué)提供最有力的幫助。

2. 機組功能及特性

本系統(tǒng)采用異步變頻拖動單元，寬范圍模擬風(fēng)力發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速，用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)拖動單元轉(zhuǎn)速來達到模擬風(fēng)速變化引起的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化。通過開放式主控系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實驗需求給定發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，通過變流系統(tǒng)控制雙饋發(fā)電機的功率輸出，達到變速恒頻風(fēng)力機組的并網(wǎng)發(fā)電等過程各參數(shù)的實驗研究。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示及原理

  ◆系統(tǒng)分為拖動單元、控制單元、發(fā)電單元、測量單元。

  ◆拖動單元：模擬系統(tǒng)因風(fēng)速變化而引起的轉(zhuǎn)速變化

  ◆控制單元：分析系統(tǒng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬

  ◆并網(wǎng)發(fā)電單元：雙饋發(fā)電機與并網(wǎng)變流器實現(xiàn)風(fēng)機并網(wǎng)過程。

  ◆測量單元：系統(tǒng)各信號采集傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)中。

2.2系統(tǒng)功能

    實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力機組發(fā)電狀態(tài)的模擬，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、發(fā)電量及有功、無功調(diào)節(jié)。

具體如下：

1）風(fēng)力發(fā)電機接線形式實驗

2）空載運轉(zhuǎn)實驗

3）并網(wǎng)過程實驗(結(jié)合并網(wǎng)模塊)

4）并網(wǎng)連續(xù)運行實驗(結(jié)合并網(wǎng)模塊)

5）風(fēng)速模擬實驗

6）轉(zhuǎn)距模擬實驗

7）發(fā)電功率模擬實驗

8）其它相關(guān)發(fā)電性能及測量實驗

9）脫網(wǎng)保護模擬實驗

10）控制策略模擬實驗等

2.3 系統(tǒng)主要模塊參數(shù)及功能

2.3.1雙饋異步發(fā)電機

繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機，與大型風(fēng)電機組繞組結(jié)構(gòu)模式相似。

2.3.2四象限變頻器

 執(zhí)行普通工業(yè)標準的變頻器，技術(shù)參數(shù)參照定貨后實際產(chǎn)品，附帶技術(shù)參數(shù)書。基本性能：額定功率：5.5kW ；響應(yīng)速度：<300us

風(fēng)機主控實驗系統(tǒng)特點：

1.先進性，滿足目前最主流的兆瓦級變速恒頻風(fēng)機控制系統(tǒng)的要求；

2.開放性，無論是 PLC 還是計算機均可自主編程，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的要求；

3.適應(yīng)性，可滿足不同功率、不同類型的風(fēng)機測試和模擬；

模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)包括一套測試系統(tǒng)，由PLC、變頻器、工控機等組成，主要用于控制模擬風(fēng)發(fā)生器的風(fēng)速和風(fēng)向，模擬實際運行的風(fēng)速環(huán)境，其功能如下：

內(nèi)部保存多種風(fēng)速曲線，包括微風(fēng)、陣風(fēng)、大風(fēng)、颶風(fēng)等，包含風(fēng)速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風(fēng)況；

通過變頻器控制，控制不同風(fēng)速；

顯示屏可以顯示主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的參數(shù)，并能方便控制；

測試系統(tǒng)通過對不同風(fēng)速的控制，來測試不同風(fēng)況下的風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)。

測試系統(tǒng)主要控制風(fēng)速模擬系統(tǒng)，用于模擬自然風(fēng)速風(fēng)向，來測試風(fēng)力發(fā)電機在不同風(fēng)速風(fēng)向情況下的運行狀態(tài)；

離、并網(wǎng)控制主要完成風(fēng)力資源的離、并網(wǎng)利用，分析系統(tǒng)運行的各種工況。

1.2大型風(fēng)力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)選型

1.2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在實驗室環(huán)境下研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng), 無法得到現(xiàn)場的風(fēng)能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的機械和電氣輸出特性；風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)機模擬系統(tǒng)

包括監(jiān)控主機和監(jiān)控軟件、多功能儀表、各種測量儀表及低壓電氣元件，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置及檢測、控制操作等。1套

安全鏈

急停、剎車系統(tǒng)、震動和位置等多種傳感器，實現(xiàn)系統(tǒng)異常時的保護功能。

偏航系統(tǒng)

包含偏航電機、偏航控制器、蝸桿式齒輪箱、偏航齒輪、扭攬開關(guān)等構(gòu)成，配合偏航控制器及模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)完成偏航實驗。

變漿系統(tǒng)

包含變漿電機、變漿控制器、蝸桿式齒輪箱、輪轂、限位開關(guān)等構(gòu)成，配合變槳控制器完成變漿實驗。

主控系統(tǒng)

主站PLC為主的主控系統(tǒng)、分站PLC為輔的從站系統(tǒng)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)采集等功能。

模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)

包含模擬風(fēng)發(fā)生器、風(fēng)速風(fēng)向儀及顯示設(shè)備、風(fēng)向控制系統(tǒng)等，模擬各種實際風(fēng)況，并完成風(fēng)速和風(fēng)向信息的檢測。

調(diào)速系統(tǒng)

主要包含原動機的調(diào)速裝置，通過調(diào)速裝置調(diào)節(jié)原動機的狀態(tài)，從而通過齒輪箱間接改變風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動情況，模擬風(fēng)速對槳葉的改變，為變漿控制提供實驗條件。

逆變單元

包含雙向離、并網(wǎng)逆變器、HMI等，實現(xiàn)風(fēng)機離、并網(wǎng)功能，對主控系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控，完成雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)實驗。

備用電源

主要以電池組為主，各種低壓電器元件為輔，實現(xiàn)變漿系統(tǒng)在異常情況下的供電。

模擬運行算法

包括 PLC 算法和組態(tài)軟件控制算法，建立實際風(fēng)力發(fā)電機控制模型，測試主控系統(tǒng)。

1.2.3主控實驗系統(tǒng)

主控實驗系統(tǒng)包括主控控制系統(tǒng)以及模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)，風(fēng)機主控系統(tǒng)。

主控系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機控制的核心，在滿足風(fēng)力發(fā)電機安全運行的前提下，盡可能的獲取最大功率。

主控系統(tǒng)用于模擬實際 1.5～3 MW雙饋型風(fēng)機的主控系統(tǒng)，主要用于模擬實際風(fēng)機的主控系統(tǒng)，采集變漿和偏航的IO 點，實現(xiàn)整機控制。HMI用于顯示和控制PLC 系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電機主控系統(tǒng)采用主控PLC 與專用HMI，與實際風(fēng)機控制系統(tǒng)一致，滿足風(fēng)機控制要求。

風(fēng)力發(fā)電機整機模擬系統(tǒng)包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、風(fēng)速風(fēng)向發(fā)生儀、監(jiān)控系統(tǒng)等，用于模擬風(fēng)機內(nèi)部各種控制信號。模擬測試系統(tǒng)與實際控制系統(tǒng)連接，來模擬風(fēng)機運行的實際狀況。風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部模擬控制信號可通過PLC編程控制，用戶也可在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上自行開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)對各種自然風(fēng)的模擬，完成對風(fēng)力發(fā)電機控制算法的研究。

通過風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風(fēng)力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC編程，實現(xiàn)對不同類型風(fēng)力發(fā)電機的模擬以及控制仿真。可用于學(xué)術(shù)理論研究、學(xué)生實驗等。

此套系統(tǒng)主要功能包括：

  可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求；

  可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主控軟件編寫和調(diào)試；

  可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生研究和模擬不同風(fēng)機的運行特點；

  可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生研究和調(diào)試風(fēng)機核心控制算法；

  可通過此系統(tǒng)，測試完整的主控系統(tǒng)，實現(xiàn)主控系統(tǒng)電氣、軟件等測試

1.3系統(tǒng)主要模塊功能特點和技術(shù)參數(shù)

1.3.1雙饋發(fā)電機

額定功率：3kW

額定電壓： 380V

轉(zhuǎn)子電壓：124V

轉(zhuǎn)子開路電壓：620V

額定轉(zhuǎn)速：1200rpm

級數(shù)：6

防護等級：IP44

1.3.2雙饋可控逆變控制系統(tǒng)

響應(yīng)速度：<300us

額定電壓：380V

額定頻率：50Hz

頻率波動范圍：±1HZ

電網(wǎng)電壓總諧波畸變率：4%

額定容量：<=10kW

功率因數(shù)：0.951

效率：滿功率時>=95%

冷卻方式: 空冷

并網(wǎng)時間：<2s

通訊方式：profibus DP

噪聲：＝<70dB

1.3.3齒輪箱

最大負載10kW， 變速比1:90

1.3.4控制系統(tǒng)

（1）主控制系統(tǒng)包括：控制柜、電氣系統(tǒng)、主控計算機及控制系統(tǒng)軟件

（2）偏航系統(tǒng)：偏航伺服電機、減速箱及編碼器、伺服控制器及控制軟件

（3）變漿系統(tǒng)：變漿伺服電機、伺服控制器及控制軟件

（4）偏航電機：0.75kW

（5）偏航扭纜CW方向傳感器

（6）伺服控制器：

DSP全數(shù)字控制方式，可以實現(xiàn)多種電機控制算法

內(nèi)置電子齒輪控制功能

六種脈沖輸入方式，與用戶上位機接口方便靈活

編碼器反饋脈沖可分頻輸出，分頻數(shù)：1-255

鍵盤及LED數(shù)碼顯示

保護功能：具有過壓、過流、過載、失速等報警

1.3.5檢測用傳感器

       電機速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅(qū)動器供貨，具體按照定貨實際參數(shù)

1.3.6電控柜系統(tǒng)

       由調(diào)速控制柜、變流控制柜、備用電源柜、主控主控臺組成。

1.3.7 PLC控制系統(tǒng)

采用主站PLC為主的主控系統(tǒng)、分站PLC為輔的偏航及變漿系統(tǒng)， Profibus DP通訊接口。系統(tǒng)可以通過遠程操控，組態(tài)控制軟件，提供標準的編程接口。

1.3.8底座

（1）組成：基座、塔桿、偏航系統(tǒng)支架、機艙；

（2）基座：系統(tǒng)尺寸：3.8m×1m×3m范圍內(nèi)；底座的設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計過程中采用的具體器件有關(guān)，可以根據(jù)器件及客戶需求最終確定結(jié)構(gòu)尺寸及加工。

（3）機艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統(tǒng)、發(fā)電機、傳感器等。

1.3.9風(fēng)速模擬驅(qū)動系統(tǒng)

用來模擬風(fēng)力發(fā)電機中風(fēng)吹風(fēng)輪轉(zhuǎn)動情況，是實驗系統(tǒng)的動力源。其中包括電動機部分和驅(qū)動器部分：

(1) 電動機：三相交流異步電動機

額定電壓：380V

額定電流：15.3A

額定功率：7.5kW

額定轉(zhuǎn)速：1440r/min

(2)驅(qū)動器：西門子440變頻器

主要特征：

調(diào)試簡單

6個可編程，帶隔離的數(shù)字輸入

2個可編程的模擬輸出

3個完全的可編程的繼電器輸出

完善的變頻器和電動機保護功能

控制功能的特點：

最新的IGBT技術(shù)

數(shù)字微處理器控制

高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)

線性V/F特性

平方V/F特性

高品質(zhì)的PID控制器

集成的制動（斬波）器

4個跳轉(zhuǎn)頻率

保護功能：

過載能力

過壓/欠壓保護

變頻器過溫保護

接地故障保護

短路保護

閉鎖電動機保護

防止電動機失速

參數(shù)連鎖

1.3.10風(fēng)速風(fēng)向模擬系統(tǒng)

（1）風(fēng)速風(fēng)向儀

技術(shù)指標：

風(fēng)速測量范圍：0-60m/s

風(fēng)速測量精度：±0.4m/s

風(fēng)向測量范圍：0-360°

風(fēng)向測量精度：±2°

電壓：DC9V-24V

傳輸方式：數(shù)字傳輸485/模擬接口

（2）變頻器

額定電壓：380V

額定功率：1.5kW

功能：過載報警、外部故障停機、欠壓停機、RS485通訊接口

（3）模擬風(fēng)發(fā)生器

額定電壓：380V

額定功率：0.85kW

最大流量：210m³/h

最大吹力：220mbar

1.3.11監(jiān)控系統(tǒng)

技術(shù)指標：

操作系統(tǒng)：Windows XP/CE，WinXPE

安裝方式：控制柜面板

工作環(huán)境溫度：-20℃~50℃

工作相對濕度：10～95% ，無凝結(jié)

功能特點：

I.寬溫度設(shè)計，適合低溫下穩(wěn)定運行

II.安全保護，防止風(fēng)力振動帶來的損壞

III.支持Windoews系統(tǒng)的軟件開發(fā)

IV.風(fēng)電機組控制

V.參數(shù)顯示和設(shè)置

VI.權(quán)限控制

VII.故障記錄查詢

VIII.歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計

1.3.12主控制器功能特點

I.高性能

配置工業(yè)級533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；

程序運行周期最小可達10ms；

支持多任務(wù)配置，最多可配置32種不同任務(wù)。

II.高可靠性

保護及通訊不受電磁干擾；

風(fēng)電主控制器已通過UL、CE認證；

背板背面全部接地，有效抵抗脈沖群干擾；

具備良好的電磁兼容性，現(xiàn)場與系統(tǒng)、通道與通道間采用隔離措施。

III.開放性強

支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，如 Modbus、Profibus-DP等，同時提供多種接口方式選擇，滿足風(fēng)力發(fā)電機上通訊設(shè)備的需求；

IV.出色的環(huán)境適應(yīng)性

寬溫型設(shè)計，存儲溫度-40℃～70℃，運行溫度-25℃～60℃；

出色的三防工藝，防鹽霧、防濕熱、防霉菌，適合于戈壁、灘涂以及海上風(fēng)力發(fā)電機。

V.強大的冗余和自診斷功能

擁有強大的自診斷功能，DO模塊具有回讀功能，進行數(shù)據(jù)比較自檢；

具有掉電檢測和超量程及超限報警功能；

支持電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，滿足海上風(fēng)機的高可靠性要求；

VI.適合風(fēng)電應(yīng)用的專家模塊

高速測頻模塊、光纖通訊模塊、電量采集模塊等，用于完成風(fēng)電特殊信號的采集和通訊；

VII.易用性和易維護性

模塊支持帶電插拔，新模塊自動進行數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，并快速與CPU建立通信；

編程軟件符合IEC61131-3國際標準，具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六種編程語言；

靈活的SD存儲卡，可進行工程恢復(fù)及備份復(fù)制，使系統(tǒng)維護更加方便、快捷；

背板上設(shè)計有防混銷，以避免插錯模塊；

采用WAGO端子接線，簡單牢固。保證機艙震動過大時，接線不脫落；

外形小巧，易于安裝，既可分散，也可集中；

1.3.13主控制器編程軟件

功能特點

I.符合IEC61131-3標準的編程語言

II.強大的運算功能，支持32位浮點運算

III.支持數(shù)組、指針，方便實現(xiàn)復(fù)雜運算

IV.支持軟件仿真、在線調(diào)試及用戶代碼檢查功能

V.集成故障數(shù)據(jù)分析和顯示功能

VI.具有用戶程序密碼保護功能

VII.六種編程語言，滿足編程人員進行復(fù)雜的邏輯控制需求

VIII.子程序之間可采用不同的編程語言，并可相互調(diào)用

IX.支持編寫自定義塊、函數(shù)和子程序可保存為內(nèi)部庫的形式

X.自定義內(nèi)部庫可以在不同工程中調(diào)用

XI.可對風(fēng)機中的關(guān)鍵變量進行采樣跟蹤，如風(fēng)速、槳距角

角度、風(fēng)向、發(fā)電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉(zhuǎn)矩

等進行實時跟蹤，并保存數(shù)據(jù)

1.3.14安全鏈

震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統(tǒng)，可以避免系統(tǒng)失控。

1.3.15電源

實驗室提供50kVA三相四線AC 380V交流電源、5kVA的AC 220V交流電源及可靠的接地系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)功能

風(fēng)力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學(xué)生的教學(xué)實踐和科研開發(fā)，通過風(fēng)機控制系統(tǒng)與風(fēng)機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風(fēng)力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC 編程，實現(xiàn)對不同類型風(fēng)機的模擬以及控制仿真，可用于學(xué)生理論研究、實踐等。實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力機組發(fā)電狀態(tài)的模擬，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、發(fā)電量及有功、無功調(diào)節(jié)。

主要實驗功能如下：

I.風(fēng)力發(fā)電機接線形式實驗

II.空載運轉(zhuǎn)實驗

III.并網(wǎng)過程實驗

IV.并網(wǎng)連續(xù)運行實驗

V.風(fēng)速模擬實驗

VI.轉(zhuǎn)距模擬實驗

VII.發(fā)電功率模擬實驗

VIII.其它相關(guān)發(fā)電性能及測量實驗

IX.脫網(wǎng)保護模擬實驗

X.控制策略模擬實驗

XI.主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求

XII.學(xué)習(xí)主控軟件編寫和調(diào)試

XIII.研究和調(diào)試風(fēng)機核心控制算法

XIV.自主編程應(yīng)用

XV.風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場參數(shù)采集的邏輯分析

3.設(shè)備安裝建議

廠家要求：室內(nèi)安裝，樓層高度不低于3m，樓層為一樓，門寬3m，樓層走廊3m。