JG-FN02 型 大型雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) / 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1. 大型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 整體方案
（ 1 ）動(dòng)力控制系統(tǒng) , 用來模擬自然風(fēng)通過葉槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩輸入到發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，為系統(tǒng)發(fā)電提供原動(dòng)力。它由電動(dòng)機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。

（ 2 ）變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng) , 控制雙向可控逆變器使發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行。它由雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) , 雙向可控逆變器和控制軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。

（ 3 ）風(fēng)力發(fā)電的主控系統(tǒng) , 對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和安全控制。主要包括監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控軟件、主控系統(tǒng)、多功能測(cè)控儀表、模擬風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電安全系統(tǒng)及各類測(cè)量儀器儀表等。

風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、雙向可控逆變控制器、備用電源、風(fēng)速模擬等，用于模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)試相關(guān)硬件和軟件系統(tǒng)，分析風(fēng)機(jī)離、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制算法。

風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電控部分包含主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、測(cè)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(fēng)速風(fēng)向傳感器、震動(dòng)傳感器、位置傳感器、測(cè)量、安全鏈、監(jiān)控系統(tǒng)等，控制風(fēng)速方向、偏航、變槳等信息。 變槳系統(tǒng)主要是用于控制三個(gè)槳葉的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬風(fēng)機(jī)葉槳根據(jù)風(fēng)速及風(fēng)向變化情況完成變槳控制算法，實(shí)現(xiàn)變槳控制。

測(cè)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(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速風(fēng)向情況下的運(yùn)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(yùn)行的各種工況。

1.2 大型風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選型
1.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) , 無法得到現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)能輸入 , 也無法安裝巨大的槳葉 , 因此用原動(dòng)機(jī)及模擬風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械和電氣輸出特性；風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖，如圖 6

1.2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含

1.2.3 主控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

主控實(shí)驗(yàn)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(jī)主控系統(tǒng)如圖 8 。 主控系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的核心，在滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)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(shí)際 1.5 ～ 3 MW 雙饋型風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)，主要用于模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)，采集變漿和偏航的 IO 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制。 HMI 用于顯示和控制 PLC 系統(tǒng)。

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

風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)模擬系統(tǒng)包括操作臺(tái)柜、 PLC 、按鈕、指示燈、測(cè)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(jī)內(nèi)部各種控制信號(hào)。模擬測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際控制系統(tǒng)連接，來模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際狀況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部模擬控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)各種自然風(fēng)的模擬，完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制算法的研究。

通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的工藝特點(diǎn)和控制要求。此系統(tǒng)開放性強(qiáng)，可通過對(duì)控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的 PLC 編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬以及控制仿真。可用于學(xué)術(shù)理論研究、學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)；

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

■ 可通過此系統(tǒng)，測(cè)試完整的主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)電氣、軟件等測(cè)試

風(fēng)機(jī)主控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)：

■   先進(jìn)性，滿足目前最主流的兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的要求；

■   開放性，無論是 PLC 還是計(jì)算機(jī)均可自主編程，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的要求；

■   適應(yīng)性，可滿足不同功率、不同類型的風(fēng)機(jī)測(cè)試和模擬；

1.2.4 模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一套測(cè)試系統(tǒng)，由 PLC 、變頻器、工控機(jī)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(shí)際運(yùn)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(shì)曲線，可方便的模擬實(shí)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(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)，并能方便控制；

■   測(cè)試系統(tǒng)通過對(duì)不同風(fēng)速的控制，來測(cè)試不同風(fēng)況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)主要模塊功能特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)

1.3.1 雙饋發(fā)電機(jī)

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(jí)數(shù)： 6

防護(hù)等級(jí)： 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(dòng)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(shí) >=95%

冷卻方式 : 空冷

并網(wǎng)時(shí)間： <2s

通訊方式： profibus DP

噪聲：＝ <70dB

1.3.3 齒輪箱

最大負(fù)載 10kW ， 變速比 1:90

1.3.4 控制系統(tǒng)

1.3.5 檢測(cè)用傳感器
    電機(jī)速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅(qū)動(dòng)器供貨，具體按照定貨實(shí)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(tái)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(yuǎn)程操控，組態(tài)控制軟件，提供標(biāo)準(zhǔn)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(jī)艙；
（ 2 ）基座：系統(tǒng)尺寸： 3.8m × 1m × 3m 范圍內(nèi)；底座的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、傳感器等。
1.3.9 風(fēng)速模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
用來模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)中風(fēng)吹風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)情況，是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力源。其中包括電動(dòng)機(jī)部分和驅(qū)動(dòng)器部分：
(1) 電動(dòng)機(jī)：三相交流異步電動(dòng)機(jī)
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(dòng)器：西門子 440 變頻器
■   主要特征：
調(diào)試簡單
6 個(gè)可編程，帶隔離的數(shù)字輸入
2 個(gè)可編程的模擬輸出
3 個(gè)完全的可編程的繼電器輸出
完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能
■   控制功能的特點(diǎn)：
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(dòng)（斬波）器
4 個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率
■ 保護(hù)功能：
過載能力
過壓 / 欠壓保護(hù)
變頻器過溫保護(hù)
接地故障保護(hù)
短路保護(hù)
閉鎖電動(dòng)機(jī)保護(hù)
防止電動(dòng)機(jī)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(biāo)：
風(fēng)速測(cè)量范圍： 0-60m/s
風(fēng)速測(cè)量精度：± 0.4m/s
風(fēng)向測(cè)量范圍： 0-360 °
風(fēng)向測(cè)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(bào)警、外部故障停機(jī)、欠壓停機(jī)、 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： 210m 3 /h
  最大吹力： 220mbar
1.3.11 監(jiān)控系統(tǒng)
■   技術(shù)指標(biāo)：
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(duì)濕度： 10 ～ 95% ，無凝結(jié)
■   功能特點(diǎn)：
寬溫度設(shè)計(jì)，適合低溫下穩(wěn)定運(yùn)行
安全保護(hù)，防止風(fēng)力振動(dòng)帶來的損壞
支持 Windoews 系統(tǒng)的軟件開發(fā)
風(fēng)電機(jī)組控制
參數(shù)顯示和設(shè)置
權(quán)限控制
故障記錄查詢
歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)
1.3.12 主控制器功能特點(diǎn)
■   高性能
配置工業(yè)級(jí) 533MHz 處理器，擁有納秒級(jí)（ 13ns ）的處理速度；
程序運(yùn)行周期最小可達(dá) 10ms ；
支持多任務(wù)配置，最多可配置 32 種不同任務(wù)。
■   高可靠性
保護(hù)及通訊不受電磁干擾；
風(fēng)電主控制器已通過 UL 、 CE 認(rèn)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(chǎng)與系統(tǒng)、通道與通道間采用隔離措施。
■ 開放性強(qiáng)
支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如 Modbus 、 Profibus-DP 等，同時(shí)提供多種接口方式選擇，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)上通訊設(shè)備的需求；
■ 出色的環(huán)境適應(yīng)性
寬溫型設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)溫度 -40 ℃～ 70 ℃，運(yùn)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(jī)。
■ 強(qiáng)大的冗余和自診斷功能
擁有強(qiáng)大的自診斷功能， DO 模塊具有回讀功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較自檢；
具有掉電檢測(cè)和超量程及超限報(bào)警功能；
支持電源冗余、 CPU 冗余、通訊冗余，滿足海上風(fēng)機(jī)的高可靠性要求；
■ 適合風(fēng)電應(yīng)用的專家模塊
高速測(cè)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(hào)的采集和通訊；
■   易用性和易維護(hù)性
模塊支持帶電插拔，新模塊自動(dòng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，具有 LD 、 IL 、 FBD 、 ST 、 SFC 和 CFC 六種編程語言；
靈活的 SD 存儲(chǔ)卡，可進(jìn)行工程恢復(fù)及備份復(fù)制，使系統(tǒng)維護(hù)更加方便、快捷；
背板上設(shè)計(jì)有防混銷，以避免插錯(cuò)模塊；
采用 WAGO 端子接線，簡單牢固。保證機(jī)艙震動(dòng)過大時(shí)，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(diǎn)
    符合 IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程語言
    強(qiáng)大的運(yùn)算功能，支持 32 位浮點(diǎn)運(yùn)算
    支持?jǐn)?shù)組、指針，方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)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(hù)功能
    六種編程語言，滿足編程人員進(jìn)行復(fù)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(duì)風(fēng)機(jī)中的關(guān)鍵變量進(jìn)行采樣跟蹤，如風(fēng)速、槳距角
    角度、風(fēng)向、發(fā)電機(jī)輸出電流、電壓、變流器反饋轉(zhuǎn)矩
    等進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并保存數(shù)據(jù)
1.3.14 安全鏈
震動(dòng)、過壓、超速、解纜失靈等故障保護(hù)系統(tǒng)，可以避免系統(tǒng)失控。
1.3.15 電源
實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐和科研開發(fā)，通過風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的工藝特點(diǎn)和控制要求。此系統(tǒng)開放性強(qiáng)，可通過對(duì)控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的 PLC 編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型風(fēng)機(jī)的模擬以及控制仿真，可用于學(xué)生理論研究、實(shí)踐等。實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力機(jī)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(shí)驗(yàn)功能如下：
   風(fēng)力發(fā)電機(jī)接線形式實(shí)驗(yàn)
   空載運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)
   并網(wǎng)過程實(shí)驗(yàn)
   并網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)
   風(fēng)速模擬實(shí)驗(yàn)
   轉(zhuǎn)距模擬實(shí)驗(yàn)
   發(fā)電功率模擬實(shí)驗(yàn)
   其它相關(guān)發(fā)電性能及測(cè)量實(shí)驗(yàn)
   脫網(wǎng)保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)
   控制策略模擬實(shí)驗(yàn)
   主控系統(tǒng)的配置、特點(diǎn)和工藝要求
   學(xué)習(xí)主控軟件編寫和調(diào)試
   研究和調(diào)試風(fēng)機(jī)核心控制算法
   自主編程應(yīng)用
   風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)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 。