DB-FN02 雙饋風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)
一、產(chǎn)品概述
雙饋風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的雙饋異步發(fā)電機(jī)組，可以完成大功率雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)模擬和運(yùn)行操作訓(xùn)練。
二、產(chǎn)品特點
1) 模擬真實風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動、并網(wǎng)、正常運(yùn)行和停機(jī)過程，具備模擬機(jī)組變速調(diào)節(jié)能力，有功、無功的調(diào)節(jié)能力；
2) 風(fēng)速模型不僅可設(shè)定典型幾種風(fēng)速曲線，支持導(dǎo)入實際測量得到的風(fēng)速―時間數(shù)據(jù)；
3) FaceView實驗主控軟件執(zhí)行機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)流程控制和數(shù)據(jù)記錄、顯示、系統(tǒng)監(jiān)控等功能；
4) 實現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)模擬，機(jī)組并網(wǎng)控制，機(jī)組最大功率運(yùn)行控制，機(jī)組恒速運(yùn)行，機(jī)組限功率運(yùn)行，機(jī)組低電壓穿越，機(jī)組脫網(wǎng)控制等控制功能；
5) 背靠背變流器可實現(xiàn)直流側(cè)電壓的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障條件下不脫網(wǎng)運(yùn)行，低電壓穿越的功能，支持風(fēng)機(jī)的低電壓穿越實驗;
6) 軟件分析風(fēng)力發(fā)電的數(shù)據(jù)與運(yùn)行特性，能夠顯示異常時的故障原因；
7) RS485接口，提供開放式MODBUS規(guī)約接入監(jiān)控系統(tǒng)；
8) 完善的保護(hù)功能，包括過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過溫保護(hù)、超速保護(hù)、短路保護(hù)，可以實現(xiàn)低電壓穿越以及外接電源電壓不穩(wěn)定時保護(hù)實驗；
注：帶醒目的危險標(biāo)識，如：有電危險、運(yùn)行時請勿打開、嚴(yán)謹(jǐn)帶電操作等。
雙饋實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二、系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)
2.1 工作條件
輸入電壓：三相四線～380V±10% 50Hz
裝置容量：≤5.0kW
海拔：0～2000m；
環(huán)境溫度：-10℃～＋50℃；
環(huán)境相對濕度: 10～90%(25℃)；
大氣壓力范圍：1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍；
室內(nèi)安裝；
平臺必須水平安裝；
設(shè)備正常使用年限：≥20年；
環(huán)境要求：環(huán)境通風(fēng)良好，不含易燃、腐蝕性氣體；
2.2 實驗平臺的基本尺寸：
實驗臺：2000×400×600；（長×深×高，mm）
變流器：1000×600×1500；
主控柜：800×600×1820；
注：實驗平臺分兩排布置，預(yù)計占地面積 3m×3m
2.2 定制雙饋變流器系統(tǒng)
風(fēng)電變流器包括雙饋風(fēng)機(jī)變流器、全功率變流器和PWM整流器，均為我司自主研發(fā)，根據(jù)高校和研究所客戶要求定制開發(fā)，具有功能完善、產(chǎn)品可靠、開放性強(qiáng)、保護(hù)嚴(yán)格等特點。
雙饋風(fēng)電機(jī)組圖及變流器內(nèi)部圖
模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實現(xiàn)，前級交流輸入可選接入交流/直流電網(wǎng)，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)速，將相應(yīng)能量注入到直流母線上，后級交流輸出接交流母線，將輸入的能量注入到配電/微電網(wǎng)。該變流器為定制產(chǎn)品，根據(jù)用戶的要求設(shè)計，功能特點如下：
機(jī)側(cè)矢量控制，網(wǎng)側(cè)矢量解耦P/Q控制；
電網(wǎng)電壓在-3%～+7%范圍內(nèi)波動時能正常運(yùn)行；
并網(wǎng)滿載電流總諧波畸變率5%以下；
過流/過壓/過溫保護(hù)，分硬件保護(hù)和軟件保護(hù)；
具備低電壓穿越功能；
提供直流側(cè)外接其他電氣設(shè)備的接口；
支持電網(wǎng)不平衡度小于 10%時正常發(fā)電運(yùn)行；
支持較寬的運(yùn)行速度范圍：700-2000RPM；
| 項目指標(biāo) | 參數(shù)特性 | 項目指標(biāo) | 參數(shù)特性 |
| 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) | 雙級背靠背 | 后級控制方式 | 穩(wěn)定直流電壓 |
| 額定流功率 | 5.0kW | 后級功率因數(shù) | >0.99 |
| 額定交流電流 | 15A | 直流母線電壓 | 600V |
| 額定交流電壓 | 380V | 最大直流電流 | 22A |
| 額定電網(wǎng)頻率 | 50Hz | 電流總諧波畸變率（THD） | <3%（額定功率） |
| 允許電網(wǎng)頻率 | 48～50.5Hz | 最大效率 | 95% |
| 前級控制方式 | 功率控制 | 待機(jī)狀態(tài)功耗 | <40W |
| 前級功率因數(shù) | >0.99 | 冷卻方式 | 強(qiáng)迫風(fēng)冷 |
| 防護(hù)等級 | IP21 | 標(biāo)準(zhǔn)通訊方式 | RS485 |
| 驅(qū)動變頻器 | 容量等級 | 5.5KW |
| 電壓等級 | 380V | |
| 電機(jī)類型 | 異步/永磁同步電動機(jī) | |
| 調(diào)速范圍 | 0-2000RPM | |
| 控制方式 | 有PG矢量控制，弱磁控制 | |
| 接口類型 | RS485 | |
| 控制環(huán)路 | 速度閉環(huán)，力矩閉環(huán) | |
| 精度 | 電壓、電流、轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩的信號測量 | |
| 定制變流器 | 功率等級 | 5.5KW |
| 電壓等級 | 380V | |
| 功率拓?fù)?/span> | 二電平背靠背 | |
| 外形尺寸 | （寬×深×高，mm）800×600×1600 | |
| 電動機(jī) | 額定功率 | 5.5KW |
| 額定轉(zhuǎn)速 | 1500RPM | |
| 同步轉(zhuǎn)速 | 1800RPM | |
| 額定電壓 | 380V | |
| 功率因數(shù) | 0.9 | |
| 發(fā)電機(jī) | 類 型 | 雙饋發(fā)電機(jī) |
| 額定功率 | 5.0kW | |
| 額定電壓 | 380V | |
| 額定頻率 | 50Hz | |
| 額定轉(zhuǎn)速 | 1500rpm | |
| 轉(zhuǎn)速范圍 | 0-2000rpm | |
| 絕緣等級 | F級 |
3.1 電網(wǎng)電壓跌落的危害
對雙饋風(fēng)電機(jī)組來說：
出現(xiàn)的過電流會損壞電力電子器件；
DC端過電壓，將威脅直流側(cè)元器件；
附加的轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力過大則會損壞風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件；
對電網(wǎng)來說：
引起電網(wǎng)頻率降低；
引起電網(wǎng)線壓降低；
引發(fā)聯(lián)鎖效應(yīng)，導(dǎo)致大面積電網(wǎng)癱瘓。
3.2 低電壓穿越LVRT定義及意義
當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動引起風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。
它對系統(tǒng)由較為重要的意義：
風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行；
能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行動態(tài)無功功率Q支撐；
有助于有功功率P恢復(fù)；
3.3 國內(nèi)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)
對于低電壓穿越，要求如下圖所示，方案完全遵循此標(biāo)準(zhǔn)：
低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)
并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms ；
跌落后2s 內(nèi)恢復(fù)到額定電壓的90%時，不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。
無功支撐：響應(yīng)時間不大于75ms，持續(xù)時間不少于550ms ；無功電流滿足IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）
有功恢復(fù)：故障切除后以至少10%額定功率/秒的功率恢復(fù)到故障跌落前的功率；
3.4 低電壓穿越LVRT實驗方案介紹
主要為在變流器上添加Crowbar和Chopper電路，并在變流器中進(jìn)行相應(yīng)控制：
Crowbar：其響應(yīng)時間短，能夠保護(hù)變流器IGBT、吸收和衰減畸變電流和諧波電流
Chopper：主要考慮單管吸收回路的設(shè)計，不同于Crowbar的投切工作方式，Chopper裝置在運(yùn)行過程中會進(jìn)行100Hz左右的斬波動作，大電流關(guān)斷時的尖峰很容易導(dǎo)致IGBT過壓實效。因此設(shè)計了RCD吸收回路和低感功率回路。
四、雙饋系統(tǒng)實驗主控軟件
FaceView實驗主控軟件具有風(fēng)速特性模擬和風(fēng)機(jī)主控功能，能模擬幾種典型風(fēng)速如：微風(fēng)、陣風(fēng)、持續(xù)大風(fēng)、持續(xù)中速風(fēng)、或四種風(fēng)速合成特性。主控和風(fēng)機(jī)模擬的參數(shù)修改權(quán)限向用戶開放，用戶可以自由定制風(fēng)力機(jī)特性，選配接收實際的測風(fēng)儀數(shù)據(jù)。主控功能實現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)控制，恒速運(yùn)行，限功率運(yùn)行，降功率運(yùn)行，低電壓穿越，機(jī)組脫網(wǎng)控制。
FaceView監(jiān)測以下參量：
風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；
驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉(zhuǎn)矩；
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉(zhuǎn)矩；
變流器直流電壓；
網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓、電流、功率；
電網(wǎng)電壓、電流、功率。
五、開放雙饋風(fēng)電變流器系統(tǒng)（說明）
算法類的函數(shù)開放，用戶可以按照自己的算法修改、調(diào)用，如整流、逆變、電機(jī)控制的SVPWM和低電壓穿越算法。
開放內(nèi)容如下：
1) 雙饋變流器所有電路板硬件原理圖及BOM表(pdf版本)：控制板，電源板，信號板，電容板；
2) 雙饋變流器柜電氣原理圖及BOM表(pdf版本)；
3) 開放控制板的debug接口，客戶可以燒寫自己的程序；
4) 雙饋變流器通訊協(xié)議(RS485)（免費(fèi)）；
5) 雙饋變流器使用手冊(免費(fèi))；
6) 雙饋變流器編程手冊pdf版；
雙饋變流器軟件低電壓穿越算法、整流器SVPWM算法和電機(jī)控制SVPWM算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驅(qū)動功能、硬件配置功能、通訊功能、保護(hù)功能、編碼器功能、采樣功能、鎖相環(huán)功能、濾波函數(shù)等。低電壓穿越算法、整流器SVPWM算法和電機(jī)控制SVPWM算法用戶可以修改、調(diào)用。
雙饋風(fēng)電實驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖如下：
六、可開設(shè)實驗及科研教學(xué)內(nèi)容
1) 風(fēng)力機(jī)模擬實驗
2) 低電壓穿越實驗
3) 低電壓穿越算法研究
4) 直流母線電壓控制實驗
5) 并網(wǎng)過程及連續(xù)實驗
6) 亞同步速、超同步速運(yùn)行控制實驗
7) 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)功率因素調(diào)節(jié)
實驗項目表
| 編號 | 名稱 | 學(xué)生人數(shù) | 類型 |
| 1 | 異步電機(jī)空載實驗 | 每套機(jī)組3~5人 | 設(shè)計型 |
| 2 | 異步電機(jī)負(fù)載實驗 | 每套機(jī)組3~5人 | 設(shè)計型 |
| 3 | 雙饋感應(yīng)電機(jī)空載實驗 | 每套機(jī)組3~5人 | 設(shè)計型 |
| 4 | 雙饋感應(yīng)電機(jī)負(fù)載實驗 | 每套機(jī)組3~5人 | 設(shè)計型 |
| 5 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動并網(wǎng)實驗 | 每套機(jī)組5~8人 | 設(shè)計型 |
| 6 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常停機(jī)實驗 | 每套機(jī)組5~8人 | 設(shè)計型 |
| 7 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)異常停機(jī) | 每套機(jī)組5~8人 | 設(shè)計型 |
| 8 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行實驗 | 每套機(jī)組5~8人 | 設(shè)計型 |
| 9 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)保護(hù)實驗 | 每套機(jī)組5~8人 | 設(shè)計型 |
