JG-FN02 型 大型双馈风力发电实验系统 / 双馈风力发电系统

1. 大型双馈风力发电系统

1.1 整体方案
（ 1 ）动力控制系统 , 用来模拟自然风通过叶桨产生的转动力矩输入到发电机的机械转矩，为系统发电提供原动力。它由电动机、调速系统和控制系统构成。

（ 2 ）变速恒频双馈风力发电机的励磁控制系统 , 控制双向可控逆变器使发电机变速恒频运行。它由双馈风力发电机 , 双向可控逆变器和控制软件系统等构成。

（ 3 ）风力发电的主控系统 , 对整个风力发电系统进行统一监控、管理和安全控制。主要包括监控主机和监控软件、主控系统、多功能测控仪表、模拟风系统、风力发电安全系统及各类测量仪器仪表等。

风机实验系统包含变桨、主控、主轴、齿轮箱、发电机、双向可控逆变控制器、备用电源、风速模拟等，用于模拟实际风机运行状态，测试相关硬件和软件系统，分析风机离、并网发电系统的控制算法。

风机实验系统电控部分包含主控系统、变桨系统、测试系统、逆变并网控制系统、监控系统等。 主控系统用于连接风速风向传感器、震动传感器、位置传感器、测量、安全链、监控系统等，控制风速方向、偏航、变桨等信息。 变桨系统主要是用于控制三个桨叶的独立转动，模拟风机叶桨根据风速及风向变化情况完成变桨控制算法，实现变桨控制。

测试系统主要控制风速模拟系统，用于模拟自然风速风向，来测试风力发电机在不同风速风向情况下的运行状态；

离、并网控制主要完成风力资源的离、并网利用，分析系统运行的各种工况。

1.2 大型风力发电模拟实验系统选型
1.2.1 系统整体结构

在实验室环境下研究风力发电系统 , 无法得到现场的风能输入 , 也无法安装巨大的桨叶 , 因此用原动机及模拟风系统实现风力发电机的机械和电气输出特性；风力发电实验系统构成图，如图 6

1.2.2 系统组成

系统包含

1.2.3 主控实验系统

主控实验系统包括主控控制系统以及模拟风发生系统，风机主控系统如图 8 。 主控系统是风力发电机控制的核心，在满足风力发电机安全运行的前提下，尽可能的获取最大功率。

主控系统用于模拟实际 1.5 ～ 3 MW 双馈型风机的主控系统，主要用于模拟实际风机的主控系统，采集变浆和偏航的 IO 点，实现整机控制。 HMI 用于显示和控制 PLC 系统。

风力发电机主控系统采用主控 PLC 与专用 HMI ，与实际风机控制系统一致，满足风机控制要求。

风力发电机整机模拟系统包括操作台柜、 PLC 、按钮、指示灯、测控仪表、风速风向发生仪、监控系统等，用于模拟风机内部各种控制信号。模拟测试系统与实际控制系统连接，来模拟风机运行的实际状况。风力发电机内部模拟控制信号可通过 PLC 编程控制，用户也可在现有硬件基础上自行开发控制软件，实现对各种自然风的模拟，完成对风力发电机控制算法的研究。

通过风力发电机控制系统与风力发电机模拟系统的连接，尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强，可通过对控制系统和模拟系统的 PLC 编程，实现对不同类型风力发电机的模拟以及控制仿真。可用于学术理论研究、学生实验等。

此套系统主要功能包括：

■ 可通过此系统，让学生学习主控系统的配置、特点和工艺要求；

■ 可通过此系统，让学生学习主控软件编写和调试；

■ 可通过此系统，让学生研究和模拟不同风机的运行特点；

■ 可通过此系统，让学生研究和调试风机核心控制算法；

■ 可通过此系统，测试完整的主控系统，实现主控系统电气、软件等测试

风机主控实验系统特点：

■   先进性，满足目前最主流的兆瓦级变速恒频风机控制系统的要求；

■   开放性，无论是 PLC 还是计算机均可自主编程，满足学生学习的要求；

■   适应性，可满足不同功率、不同类型的风机测试和模拟；

1.2.4 模拟风发生系统

本实验系统包括一套测试系统，由 PLC 、变频器、工控机等组成，主要用于控制模拟风发生器的风速和风向，模拟实际运行的风速环境，其功能如下：

■   内部保存多种风速曲线，包括微风、阵风、大风、飓风等，包含风速变化趋势曲线，可方便的模拟实际的风况；

■   通过变频器控制，控制不同风速；

■ 显示屏可以显示主控系统、变桨系统、偏航系统和测试系统的参数，并能方便控制；

■   测试系统通过对不同风速的控制，来测试不同风况下的风力发电机运行状态。

1.3 系统主要模块功能特点和技术参数

1.3.1 双馈发电机

额定功率： 3kW

额定电压： 380V

转子电压： 124V

转子开路电压： 620V

额定转速： 1200rpm

级数： 6

防护等级： IP44

1.3.2 双馈可控逆变控制系统

响应速度： <300us

额定电压： 380V

额定频率： 50Hz

频率波动范围：± 1HZ

电网电压总谐波畸变率： 4%

额定容量： <=10kW

功率因数： 0.951

效率：满功率时 >=95%

冷却方式 : 空冷

并网时间： <2s

通讯方式： profibus DP

噪声：＝ <70dB

1.3.3 齿轮箱

最大负载 10kW ， 变速比 1:90

1.3.4 控制系统

1.3.5 检测用传感器
    电机速度、位置编码器、电流、电压传感器。随驱动器供货，具体按照定货实际参数
1.3.6 电控柜系统
       由调速控制柜、变流控制柜、备用电源柜、主控主控台组成。
1.3.7 PLC 控制系统
采用主站 PLC 为主的主控系统、分站 PLC 为辅的偏航及变浆系统， Profibus DP 通讯接口。系统可以通过远程操控，组态控制软件，提供标准的编程接口。
1.3.8 底座
（ 1 ）组成：基座、塔杆、偏航系统支架、机舱；
（ 2 ）基座：系统尺寸： 3.8m × 1m × 3m 范围内；底座的设计与系统设计过程中采用的具体器件有关，可以根据器件及客户需求最终确定结构尺寸及加工。
（ 3 ）机舱：叶桨、轮毂、齿轮箱、拖动系统、发电机、传感器等。
1.3.9 风速模拟驱动系统
用来模拟风力发电机中风吹风轮转动情况，是实验系统的动力源。其中包括电动机部分和驱动器部分：
(1) 电动机：三相交流异步电动机
额定电压： 380V
额定电流： 15.3A
额定功率： 7.5kW
额定转速： 1440r/min
(2) 驱动器：西门子 440 变频器
■   主要特征：
调试简单
6 个可编程，带隔离的数字输入
2 个可编程的模拟输出
3 个完全的可编程的继电器输出
完善的变频器和电动机保护功能
■   控制功能的特点：
最新的 IGBT 技术
数字微处理器控制
高质量的矢量控制系统
线性 V/F 特性
平方 V/F 特性
高品质的 PID 控制器
集成的制动（斩波）器
4 个跳转频率
■ 保护功能：
过载能力
过压 / 欠压保护
变频器过温保护
接地故障保护
短路保护
闭锁电动机保护
防止电动机失速
参数连锁
1.3.10 风速风向模拟系统
（ 1 ）风速风向仪
■   技术指标：
风速测量范围： 0-60m/s
风速测量精度：± 0.4m/s
风向测量范围： 0-360 °
风向测量精度：± 2 °
电压： DC9V-24V
传输方式：数字传输 485/ 模拟接口
（ 2 ）变频器
  额定电压： 380V
  额定功率： 1.5kW
  功能：过载报警、外部故障停机、欠压停机、 RS485 通讯接口
（ 3 ）模拟风发生器
  额定电压： 380V
  额定功率： 0.85kW
  最大流量： 210m 3 /h
  最大吹力： 220mbar
1.3.11 监控系统
■   技术指标：
操作系统： Windows XP/CE ， WinXPE
安装方式：控制柜面板
工作环境温度： -20 ℃ ~50 ℃
工作相对湿度： 10 ～ 95% ，无凝结
■   功能特点：
宽温度设计，适合低温下稳定运行
安全保护，防止风力振动带来的损坏
支持 Windoews 系统的软件开发
风电机组控制
参数显示和设置
权限控制
故障记录查询
历史数据查询和统计
1.3.12 主控制器功能特点
■   高性能
配置工业级 533MHz 处理器，拥有纳秒级（ 13ns ）的处理速度；
程序运行周期最小可达 10ms ；
支持多任务配置，最多可配置 32 种不同任务。
■   高可靠性
保护及通讯不受电磁干扰；
风电主控制器已通过 UL 、 CE 认证；
背板背面全部接地，有效抵抗脉冲群干扰；
具备良好的电磁兼容性，现场与系统、通道与通道间采用隔离措施。
■ 开放性强
支持多种现场总线协议，如 Modbus 、 Profibus-DP 等，同时提供多种接口方式选择，满足风力发电机上通讯设备的需求；
■ 出色的环境适应性
宽温型设计，存储温度 -40 ℃～ 70 ℃，运行温度 -25 ℃～ 60 ℃；
出色的三防工艺，防盐雾、防湿热、防霉菌，适合于戈壁、滩涂以及海上风力发电机。
■ 强大的冗余和自诊断功能
拥有强大的自诊断功能， DO 模块具有回读功能，进行数据比较自检；
具有掉电检测和超量程及超限报警功能；
支持电源冗余、 CPU 冗余、通讯冗余，满足海上风机的高可靠性要求；
■ 适合风电应用的专家模块
高速测频模块、光纤通讯模块、电量采集模块等，用于完成风电特殊信号的采集和通讯；
■   易用性和易维护性
模块支持带电插拔，新模块自动进行数据的初始化设置，并快速与 CPU 建立通信；
编程软件符合 IEC61131-3 国际标准，具有 LD 、 IL 、 FBD 、 ST 、 SFC 和 CFC 六种编程语言；
灵活的 SD 存储卡，可进行工程恢复及备份复制，使系统维护更加方便、快捷；
背板上设计有防混销，以避免插错模块；
采用 WAGO 端子接线，简单牢固。保证机舱震动过大时，接线不脱落；
外形小巧，易于安装，既可分散，也可集中；
1.3.13 主控制器编程软件
■ 功能特点
    符合 IEC61131-3 标准的编程语言
    强大的运算功能，支持 32 位浮点运算
    支持数组、指针，方便实现复杂运算
    支持软件仿真、在线调试及用户代码检查功能
    集成故障数据分析和显示功能
    具有用户程序密码保护功能
    六种编程语言，满足编程人员进行复杂的逻辑控制需求
    子程序之间可采用不同的编程语言，并可相互调用
    支持编写自定义块、函数和子程序可保存为内部库的形式
    自定义内部库可以在不同工程中调用
    可对风机中的关键变量进行采样跟踪，如风速、桨距角
    角度、风向、发电机输出电流、电压、变流器反馈转矩
    等进行实时跟踪，并保存数据
1.3.14 安全链
震动、过压、超速、解缆失灵等故障保护系统，可以避免系统失控。
1.3.15 电源
实验室提供 50kVA 三相四线 AC 380V 交流电源、 5kVA 的 AC 220V 交流电源及可靠的接地系统。
2. 系统功能
风力发电机实验系统主要用于学生的教学实践和科研开发，通过风机控制系统与风机模拟系统的连接，尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强，可通过对控制系统和模拟系统的 PLC 编程，实现对不同类型风机的模拟以及控制仿真，可用于学生理论研究、实践等。实现变速恒频风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。
■ 主要实验功能如下：
   风力发电机接线形式实验
   空载运转实验
   并网过程实验
   并网连续运行实验
   风速模拟实验
   转距模拟实验
   发电功率模拟实验
   其它相关发电性能及测量实验
   脱网保护模拟实验
   控制策略模拟实验
   主控系统的配置、特点和工艺要求
   学习主控软件编写和调试
   研究和调试风机核心控制算法
   自主编程应用
   风力发电现场参数采集的逻辑分析
3. 设备安装建议
厂家要求：室内安装，楼层高度不低于 3m ，楼层为一楼，门宽 3m ，楼层走廊 3m 。