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双馈风力发电机模拟试验台

作者：液压实验台,发布时间：2023-04-29,浏览：

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双馈风力发电机模拟试验台,大型变速恒频双馈风力发电仿真实训装置

1. 概述

3.0KW双馈式风力发电实验室模拟系统，是根据目前国际上风力发电行业应用较广泛的变速恒频双馈风力发电机组设计的模拟实验系统，该系统具有模拟变速恒频风力机组并网发电的功能及特性，为风电行业科研、教学提供最有力的帮助。

2. 机组功能及特性

本系统采用异步变频拖动单元，宽范围模拟风力发电机运行转速，用户可根据需要调节拖动单元转速来达到模拟风速变化引起的发电机转速变化。通过开放式主控系统，用户可以根据自己的实验需求给定发电机转矩，通过变流系统控制双馈发电机的功率输出，达到变速恒频风力机组的并网发电等过程各参数的实验研究。

2.1系统结构示及原理

◆系统分为拖动单元、控制单元、发电单元、测量单元。

◆拖动单元：模拟系统因风速变化而引起的转速变化

◆控制单元：分析系统状态，控制系统运行，实现数据模拟

◆并网发电单元：双馈发电机与并网变流器实现风机并网过程。

◆测量单元：系统各信号采集传输到主控系统中。

2.2系统功能

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。

具体如下：

1）风力发电机接线形式实验

2）空载运转实验

3）并网过程实验(结合并网模块)

4）并网连续运行实验(结合并网模块)

5）风速模拟实验

6）转距模拟实验

7）发电功率模拟实验

8）其它相关发电性能及测量实验

9）脱网保护模拟实验

10）控制策略模拟实验等

2.3 系统主要模块参数及功能

2.3.1双馈异步发电机

绕线转子双馈异步发电机，与大型风电机组绕组结构模式相似。

2.3.2四象限变频器

执行普通工业标准的变频器，技术参数参照定货后实际产品，附带技术参数书。基本性能：额定功率：5.5kW ；响应速度：<300us

风机主控实验系统特点：

1.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；

2.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；

3.适应性，可满足不同功率、不同类型的风机测试和模拟；

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。

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

1.2.2系统组成

系统包含

风力发电系统

风机模拟系统

包括监控主机和监控软件、多功能仪表、各种测量仪表及低压电气元件，实现整机系统的状态显示、参数设置及检测、控制操作等。1套

安全链

急停、刹车系统、震动和位置等多种传感器，实现系统异常时的保护功能。

偏航系统

包含偏航电机、偏航控制器、蜗杆式齿轮箱、偏航齿轮、扭揽开关等构成，配合偏航控制器及模拟风发生系统完成偏航实验。

变浆系统

包含变浆电机、变浆控制器、蜗杆式齿轮箱、轮毂、限位开关等构成，配合变桨控制器完成变浆实验。

主控系统

主站PLC为主的主控系统、分站PLC为辅的从站系统，实现整机系统的控制，数据采集等功能。

模拟风发生系统

包含模拟风发生器、风速风向仪及显示设备、风向控制系统等，模拟各种实际风况，并完成风速和风向信息的检测。

调速系统

主要包含原动机的调速装置，通过调速装置调节原动机的状态，从而通过齿轮箱间接改变风叶的转动情况，模拟风速对桨叶的改变，为变浆控制提供实验条件。

逆变单元

包含双向离、并网逆变器、HMI等，实现风机离、并网功能，对主控系统参数进行监控，完成双馈发电机的并网实验。

备用电源

主要以电池组为主，各种低压电器元件为辅，实现变浆系统在异常情况下的供电。

模拟运行算法

包括 PLC 算法和组态软件控制算法，建立实际风力发电机控制模型，测试主控系统。

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。

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

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）主控制系统包括：控制柜、电气系统、主控计算机及控制系统软件

（2）偏航系统：偏航伺服电机、减速箱及编码器、伺服控制器及控制软件

（3）变浆系统：变浆伺服电机、伺服控制器及控制软件

（4）偏航电机：0.75kW

（5）偏航扭缆CW方向传感器

（6）伺服控制器：

DSP全数字控制方式，可以实现多种电机控制算法

内置电子齿轮控制功能

六种脉冲输入方式，与用户上位机接口方便灵活

编码器反馈脉冲可分频输出，分频数：1-255

键盘及LED数码显示

保护功能：具有过压、过流、过载、失速等报警

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：210m³/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：

I.宽温度设计，适合低温下稳定运行

II.安全保护，防止风力振动带来的损坏

III.支持Windoews系统的软件开发

IV.风电机组控制

V.参数显示和设置

VI.权限控制

VII.故障记录查询

VIII.历史数据查询和统计

1.3.12主控制器功能特点

I.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。

II.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。

III.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；

IV.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。

V.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；

VI.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；

VII.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

I.符合IEC61131-3标准的编程语言

II.强大的运算功能，支持32位浮点运算

III.支持数组、指针，方便实现复杂运算

IV.支持软件仿真、在线调试及用户代码检查功能

V.集成故障数据分析和显示功能

VI.具有用户程序密码保护功能

VII.六种编程语言，满足编程人员进行复杂的逻辑控制需求

VIII.子程序之间可采用不同的编程语言，并可相互调用

IX.支持编写自定义块、函数和子程序可保存为内部库的形式

X.自定义内部库可以在不同工程中调用

XI.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：

I.风力发电机接线形式实验

II.空载运转实验

III.并网过程实验

IV.并网连续运行实验

V.风速模拟实验

VI.转距模拟实验

VII.发电功率模拟实验

VIII.其它相关发电性能及测量实验

IX.脱网保护模拟实验

X.控制策略模拟实验

XI.主控系统的配置、特点和工艺要求