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TY-FN02型大型雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)|新能源教學(xué)設(shè)備

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

產(chǎn)品	部件	用途	數(shù)量
主控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)	風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)	包括監(jiān)控主機(jī)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(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置及檢測、控制操作等。	1套
	安全鏈	急停、剎車系統(tǒng)、震動(dòng)和位置等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常時(shí)的保護(hù)功能。
	偏航系統(tǒng)	包含偏航電機(jī)、偏航控制器、蝸桿式齒輪箱、偏航齒輪、扭攬開關(guān)等構(gòu)成，配合偏航控制器及模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)完成偏航實(shí)驗(yàn)。
	變漿系統(tǒng)	包含變漿電機(jī)、變漿控制器、蝸桿式齒輪箱、輪轂、限位開關(guān)等構(gòu)成，配合變槳控制器完成變漿實(shí)驗(yàn)。
	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(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)采集等功能。
	模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)	包含模擬風(fēng)發(fā)生器、風(fēng)速風(fēng)向儀及顯示設(shè)備、風(fēng)向控制系統(tǒng)等，模擬各種實(shí)際風(fēng)況，并完成風(fēng)速和風(fēng)向信息的檢測。
	調(diào)速系統(tǒng)	主要包含原動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，通過調(diào)速裝置調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，從而通過齒輪箱間接改變風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，模擬風(fēng)速對槳葉的改變，為變漿控制提供實(shí)驗(yàn)條件。
	逆變單元	包含雙向離、并網(wǎng)逆變器、HMI等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)離、并網(wǎng)功能，對主控系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，完成雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。
	備用電源	主要以電池組為主，各種低壓電器元件為輔，實(shí)現(xiàn)變漿系統(tǒng)在異常情況下的供電。
	模擬運(yùn)行算法	包括 PLC 算法和組態(tài)軟件控制算法，建立實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制模型，測試主控系統(tǒng)。

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zui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HMI，與實(shí)際風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)*，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)包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、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。模擬測試系統(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)對各種自然風(fēng)的模擬，完成對風(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)，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC編程，實(shí)現(xiàn)對不同類型風(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)，測試完整的主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)電氣、軟件等測試
風(fēng)機(jī)主控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)：
■ *性，滿足目前zui主流的兆瓦級變速恒頻風(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(fēng)速的控制，來測試不同風(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
級數(shù)：6
防護(hù)等級：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
zui大負(fù)載10kW，變速比1:90

1.3.4控制系統(tǒng)
（1）主控制系統(tǒng)包括：控制柜、電氣系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)軟件
（2）偏航系統(tǒng)：偏航伺服電機(jī)、減速箱及編碼器、伺服控制器及控制軟件
（3）變漿系統(tǒng)：變漿伺服電機(jī)、伺服控制器及控制軟件
（4）偏航電機(jī)：0.75kW
（5）偏航扭纜CW方向傳感器
（6）伺服控制器：

DSP全數(shù)字控制方式，可以實(shí)現(xiàn)多種電機(jī)控制算法
內(nèi)置電子齒輪控制功能
六種脈沖輸入方式，與用戶上位機(jī)接口方便靈活
編碼器反饋脈沖可分頻輸出，分頻數(shù)：1-255
鍵盤及LED數(shù)碼顯示
保護(hù)功能：具有過壓、過流、過載、失速等報(bào)警
1.3.5檢測用傳感器
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zui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)*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)：
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)速測量范圍：0-60m/s
風(fēng)速測量精度：±0.4m/s
風(fēng)向測量范圍：0-360°
風(fēng)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(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
zui大流量：210m3/h
zui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533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；
程序運(yùn)行周期zui小可達(dá)10ms；
支持多任務(wù)配置，zui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)，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC 編程，實(shí)現(xiàn)對不同類型風(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
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