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LG-FN02型大型雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)

1.大型雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

1.1整體方案
（1）動力控制系統(tǒng), 用來模擬自然風通過葉槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩輸入到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩，為系統(tǒng)發(fā)電提供原動力。它由電動機、調(diào)速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成。

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

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

風機實驗系統(tǒng)包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發(fā)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(tài)，測試相關硬件和軟件系統(tǒng)，分析風機離、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制算法。

風機實驗系統(tǒng)電控部分包含主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、逆變并網(wǎng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

主控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)等，控制風速方向、偏航、變槳等信息。

變槳系統(tǒng)主要是用于控制三個槳葉的獨立轉(zhuǎn)動，模擬風機葉槳根據(jù)風速及風向變化情況完成變槳控制算法，實現(xiàn)變槳控制。

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

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

1.2大型風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)選型
1.2.1系統(tǒng)整體結構

在實驗室環(huán)境下研究風力發(fā)電系統(tǒng), 無法得到現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)風力發(fā)電機的機械和電氣輸出特性；風力發(fā)電實驗系統(tǒng)構成圖，如圖6

1.2.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含

產(chǎn)品	部件	用途	數(shù)量
主控實驗系統(tǒng)
風力發(fā)電系統(tǒng)	風機模擬系統(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、扭攬開關等構成，配合偏航控制器及模擬風發(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、限位開關等構成，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。
	模擬風發(fā)生系統(tǒng)	包含模擬風發(fā)生器、風速風向儀及顯示設備、風向控制系統(tǒng)等，模擬各種實際風況，并完成風速和風向信息的檢測。
	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葉的轉(zhuǎn)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(wǎng)逆變器、HMI等，實現(xiàn)風機離、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)以及模擬風發(fā)生系統(tǒng)，風機主控系統(tǒng)如圖8。

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

主控系統(tǒng)用于模擬實際 1.5～3 MW雙饋型風機的主控系統(tǒng)，主要用于模擬實際風機的主控系統(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)。

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

風力發(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、風速風向發(fā)生儀、監(jiān)控系統(tǒng)等，用于模擬風機內(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，來模擬風機運行的實際狀況。風力發(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)有硬件基礎上自行開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)對各種自然風的模擬，完成對風力發(fā)電機控制算法的研究。

通過風力發(fā)電機控制系統(tǒng)與風力發(fā)電機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風力發(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)對不同類型風力發(fā)電機的模擬以及控制仿真。可用于學術理論研究、學生實驗等。

此套系統(tǒng)主要功能包括：

■可通過此系統(tǒng)，讓學生學習主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求；

■可通過此系統(tǒng)，讓學生學習主控軟件編寫和調(diào)試；

■可通過此系統(tǒng)，讓學生研究和模擬不同風機的運行特點；

■可通過此系統(tǒng)，讓學生研究和調(diào)試風機核心控制算法；

■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

風機主控實驗系統(tǒng)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(tǒng)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(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發(fā)生器的風速和風向，模擬實際運行的風速環(huán)境，其功能如下：

■ 內(nèi)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(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)通過對不同風速的控制，來測試不同風況下的風力發(fā)電機運行狀態(tài)。

1.3系統(tǒng)主要模塊功能特點和技術參數(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

*大負載10kW，變速比1:90

1.3.4控制系統(tǒng)

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)；底座的設計與系統(tǒng)設計過程中采用的具體器件有關，可以根據(jù)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(tǒng)、發(fā)電機、傳感器等。
1.3.9風速模擬驅(qū)動系統(tǒng)
用來模擬風力發(fā)電機中風吹風輪轉(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：
*新的IGBT技術
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風速風向模擬系統(tǒng)
（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(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）模擬風發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)
■ 技術指標：
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
■ 功能特點：
寬溫度設計，適合低溫下穩(wěn)定運行
安全保護，防止風力振動帶來的損壞
支持Windoews系統(tǒng)的軟件開發(fā)
風電機組控制
參數(shù)顯示和設置
權限控制
故障記錄查詢
歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計
1.3.12主控制器功能特點
■ 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*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(xiàn)場與系統(tǒng)、通道與通道間采用隔離措施。
■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，滿足風力發(fā)電機上通訊設備的需求；
■出色的環(huán)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(fā)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(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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)組、指針，方便實現(xiàn)復雜運算
    支持軟件仿真、在線調(diào)試及用戶代碼檢查功能
    集成故障數(shù)據(jù)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(diào)用
    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
    自定義內(nèi)部庫可以在不同工程中調(diào)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(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
風力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學生的教學實踐和科研開發(fā)，通過風機控制系統(tǒng)與風機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風力發(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)對不同類型風機的模擬以及控制仿真，可用于學生理論研究、實踐等。實現(xiàn)變速恒頻風力機組發(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：
   風力發(fā)電機接線形式實驗
   空載運轉(zhuǎn)實驗
   并網(wǎng)過程實驗
   并網(wǎng)連續(xù)運行實驗
   風速模擬實驗
   轉(zhuǎn)距模擬實驗
   發(fā)電功率模擬實驗
   其它相關發(fā)電性能及測量實驗
   脫網(wǎng)保護模擬實驗
   控制策略模擬實驗
   主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求
   學習主控軟件編寫和調(diào)試
   研究和調(diào)試風機核心控制算法
   自主編程應用
   風力發(fā)電現(xiàn)場參數(shù)采集的邏輯分析
3.設備安裝建議
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。

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