TW-SNY65 大型雙饋風力發電實驗系統/雙饋風力發電系統

1.大型雙饋風力發電系統

1.1整體方案

（1）動力控制系統, 用來模擬自然風通過葉槳產生的轉動力矩輸入到發電機的機械轉矩，為系統發電提供原動力。它由電動機、調速系統和控制系統構成。

（2）變速恒頻雙饋風力發電機的勵磁控制系統, 控制雙向可控逆變器使發電機變速恒頻運行。它由雙饋風力發電機, 雙向可控逆變器和控制軟件系統等構成。

（3）風力發電的主控系統, 對整個風力發電系統進行統一監控、管理和安全控制。主要包括監控主機和監控軟件、主控系統、多功能測控儀表、模擬風系統、風力發電安全系統及各類測量儀器儀表等。

風機實驗系統包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發電機、雙向可控逆變控制器、備用電源、風速模擬等，用于模擬實際風機運行狀態，測試相關硬件和軟件系統，分析風機離、并網發電系統的控制算法。

風機實驗系統電控部分包含主控系統、變槳系統、測試系統、逆變并網控制系統、監控系統等。

主控系統用于連接風速風向傳感器、震動傳感器、位置傳感器、測量、安全鏈、監控系統等，控制風速方向、偏航、變槳等信息。

變槳系統主要是用于控制三個槳葉的獨立轉動，模擬風機葉槳根據風速及風向變化情況完成變槳控制算法，實現變槳控制。

測試系統主要控制風速模擬系統，用于模擬自然風速風向，來測試風力發電機在不同風速風向情況下的運行狀態；

離、并網控制主要完成風力資源的離、并網利用，分析系統運行的各種工況。

1.2大型風力發電模擬實驗系統選型

1.2.1系統整體結構

在實驗室環境下研究風力發電系統, 無法得到現場的風能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風系統實現風力發電機的機械和電氣輸出特性；風力發電實驗系統構成圖，如圖6

1.2.2系統組成

系統包含

產品	部件	用途	數量
主控實驗系統
風力發電系統	風機模擬系統	包括監控主機和監控軟件、多功能儀表、各種測量儀表及低壓電氣元件，實現整機系統的狀態顯示、參數設置及檢測、控制操作等。	1套
	安全鏈	急停、剎車系統、震動和位置等多種傳感器，實現系統異常時的保護功能。
	偏航系統	包含偏航電機、偏航控制器、蝸桿式齒輪箱、偏航齒輪、扭攬開關等構成，配合偏航控制器及模擬風發生系統完成偏航實驗。
	變漿系統	包含變漿電機、變漿控制器、蝸桿式齒輪箱、輪轂、限位開關等構成，配合變槳控制器完成變漿實驗。
	主控系統	主站PLC為主的主控系統、分站PLC為輔的從站系統，實現整機系統的控制，數據采集等功能。
	模擬風發生系統	包含模擬風發生器、風速風向儀及顯示設備、風向控制系統等，模擬各種實際風況，并完成風速和風向信息的檢測。
	調速系統	主要包含原動機的調速裝置，通過調速裝置調節原動機的狀態，從而通過齒輪箱間接改變風葉的轉動情況，模擬風速對槳葉的改變，為變漿控制提供實驗條件。
	逆變單元	包含雙向離、并網逆變器、HMI等，實現風機離、并網功能，對主控系統參數進行監控，完成雙饋發電機的并網實驗。
	備用電源	主要以電池組為主，各種低壓電器元件為輔，實現變漿系統在異常情況下的供電。
	模擬運行算法	包括 PLC 算法和組態軟件控制算法，建立實際風力發電機控制模型，測試主控系統。

1.2.3主控實驗系統

主控實驗系統包括主控控制系統以及模擬風發生系統，風機主控系統如圖8。

主控系統是風力發電機控制的核心，在滿足風力發電機安全運行的前提下，盡可能的獲取*大功率。

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

風力發電機主控系統采用主控PLC 與專用HMI，與實際風機控制系統一致，滿足風機控制要求。

風力發電機整機模擬系統包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、風速風向發生儀、監控系統等，用于模擬風機內部各種控制信號。模擬測試系統與實際控制系統連接，來模擬風機運行的實際狀況。風力發電機內部模擬控制信號可通過PLC編程控制，用戶也可在現有硬件基礎上自行開發控制軟件，實現對各種自然風的模擬，完成對風力發電機控制算法的研究。

通過風力發電機控制系統與風力發電機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC編程，實現對不同類型風力發電機的模擬以及控制仿真?？捎糜趯W術理論研究、學生實驗等。

此套系統主要功能包括：

■可通過此系統，讓學生學習主控系統的配置、特點和工藝要求；

■可通過此系統，讓學生學習主控軟件編寫和調試；

■可通過此系統，讓學生研究和模擬不同風機的運行特點；

■可通過此系統，讓學生研究和調試風機核心控制算法；

■可通過此系統，測試完整的主控系統，實現主控系統電氣、軟件等測試

風機主控實驗系統特點：

■ 先進性，滿足目前*主流的兆瓦級變速恒頻風機控制系統的要求；

■ 開放性，無論是PLC 還是計算機均可自主編程，滿足學生學習的要求；

■ 適應性，可滿足不同功率、不同類型的風機測試和模擬；

1.2.4模擬風發生系統

本實驗系統包括一套測試系統，由PLC、變頻器、工控機等組成，主要用于控制模擬風發生器的風速和風向，模擬實際運行的風速環境，其功能如下：

■ 內部保存多種風速曲線，包括微風、陣風、大風、颶風等，包含風速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風況；

■ 通過變頻器控制，控制不同風速；

■顯示屏可以顯示主控系統、變槳系統、偏航系統和測試系統的參數，并能方便控制；

■ 測試系統通過對不同風速的控制，來測試不同風況下的風力發電機運行狀態。

1.3系統主要模塊功能特點和技術參數

1.3.1雙饋發電機

額定功率：3kW

額定電壓：380V

轉子電壓：124V

轉子開路電壓：620V

額定轉速：1200rpm

級數：6

防護等級：IP44

1.3.2雙饋可控逆變控制系統

響應速度：<300us

額定電壓：380V

額定頻率：50Hz

頻率波動范圍：±1HZ

電網電壓總諧波畸變率：4%

額定容量：<=10kW

功率因數：0.951

效率：滿功率時>=95%

冷卻方式: 空冷

并網時間：<2s

通訊方式：profibus DP

噪聲：＝<70dB

1.3.3齒輪箱

*大負載10kW， 變速比1:90

1.3.4控制系統

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。隨驅動器供貨，具體按照定貨實際參數

1.3.6電控柜系統

由調速控制柜、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

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

1.3.8底座

（1）組成：基座、塔桿、偏航系統支架、機艙；

（2）基座：系統尺寸：3.8m×1m×3m范圍內；底座的設計與系統設計過程中采用的具體器件有關，可以根據器件及客戶需求*終確定結構尺寸及加工。

（3）機艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統、發電機、傳感器等。

1.3.9風速模擬驅動系統

用來模擬風力發電機中風吹風輪轉動情況，是實驗系統的動力源。其中包括電動機部分和驅動器部分：

(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

額定轉速：1440r/min

(2)驅動器：西門子440變頻器

■ 主要特征：

調試簡單

6個可編程，帶隔離的數字輸入

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：

*新的IGBT技術

數字微處理器控制

高質量的矢量控制系統

線性V/F特性

平方V/F特性

高品質的PID控制器

集成的制動（斬波）器

4個跳轉頻率

■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

參數連鎖

1.3.10風速風向模擬系統

（1）風速風向儀

■ 技術指標：

風速測量范圍：0-60m/s

風速測量精度：±0.4m/s

風向測量范圍：0-360°

風向測量精度：±2°

電壓：DC9V-24V

傳輸方式：數字傳輸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）模擬風發生器

額定電壓：380V

額定功率：0.85kW

*大流量：210m3/h

*大吹力：220mbar

1.3.11監控系統

■  技術指標：

操作系統：Windows XP/CE，WinXPE

安裝方式：控制柜面板

工作環境溫度：-20℃~50℃

工作相對濕度：10～95% ，無凝結

■  功能特點：

寬溫度設計，適合低溫下穩定運行

安全保護，防止風力振動帶來的損壞

支持Windoews系統的軟件開發

風電機組控制

參數顯示和設置

權限控制

故障記錄查詢

歷史數據查詢和統計

1.3.12主控制器功能特點

■ 高性能

配置工業級533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；

程序運行周期*小可達10ms；

支持多任務配置，*多可配置32種不同任務。

■ 高可靠性

保護及通訊不受電磁干擾；

風電主控制器已通過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，現場與系統、通道與通道間采用隔離措施。

■開放性強

支持多種現場總線協議，如 Modbus、Profibus-DP等，同時提供多種接口方式選擇，滿足風力發電機上通訊設備的需求；

■出色的環境適應性

寬溫型設計，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、灘涂以及海上風力發電機。

■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，進行數據比較自檢；

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，滿足海上風機的高可靠性要求；

■適合風電應用的專家模塊

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

■ 易用性和易維護性

模塊支持帶電插拔，新模塊自動進行數據的初始化設置，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，可進行工程恢復及備份復制，使系統維護更加方便、快捷；

背板上設計有防混銷，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

符合IEC61131-3標準的編程語言

強大的運算功能，支持32位浮點運算

支持數組、指針，方便實現復雜運算

支持軟件仿真、在線調試及用戶代碼檢查功能

集成故障數據分析和顯示功能

具有用戶程序密碼保護功能

六種編程語言，滿足編程人員進行復雜的邏輯控制需求

子程序之間可采用不同的編程語言，并可相互調用

支持編寫自定義塊、函數和子程序可保存為內部庫的形式

自定義內部庫可以在不同工程中調用

可對風機中的關鍵變量進行采樣跟蹤，如風速、槳距角

角度、風向、發電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉矩

等進行實時跟蹤，并保存數據

1.3.14安全鏈

震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統，可以避免系統失控。

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。

2.系統功能

風力發電機實驗系統主要用于學生的教學實踐和科研開發，通過風機控制系統與風機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC 編程，實現對不同類型風機的模擬以及控制仿真，可用于學生理論研究、實踐等。實現變速恒頻風力機組發電狀態的模擬，包括轉速、轉矩、發電量及有功、無功調節。

■主要實驗功能如下：

風力發電機接線形式實驗

空載運轉實驗

并網過程實驗

并網連續運行實驗

風速模擬實驗

轉距模擬實驗

發電功率模擬實驗

其它相關發電性能及測量實驗

脫網保護模擬實驗

控制策略模擬實驗

主控系統的配置、特點和工藝要求

學習主控軟件編寫和調試

研究和調試風機核心控制算法

自主編程應用

風力發電現場參數采集的邏輯分析

3.設備安裝建議

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