一、產品概述

本實驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的雙饋異步發(fā)電機組，可以完成大功率雙饋風電機組的風力機模擬和運行操作訓練。

二、產品特點

1. 模擬真實風力發(fā)電機的啟動、并網(wǎng)、正常運行和停機過程，具備模擬機組變速調節(jié)能力，有功、無功的調節(jié)能力；
2. 風速模型不僅可設定典型幾種風速曲線，支持導入實際測量得到的風速―時間數(shù)據(jù)；
3. FaceView實驗主控軟件執(zhí)行機組運行狀態(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)風速和風力機模擬，機組并網(wǎng)控制，機組大功率運行控制，機組恒速運行，機組限功率運行，機組低電壓穿越，機組脫網(wǎng)控制等控制功能；
5. 背靠背變流器可實現(xiàn)直流側電壓的初始狀態(tài)進行設定，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，實現(xiàn)風力發(fā)電機在故障條件下不脫網(wǎng)運行，低電壓穿越的功能，支持風機的低電壓穿越實驗;
6. 軟件分析風力發(fā)電的數(shù)據(jù)與運行特性，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. 完善的保護功能，包括過電壓保護、過電流保護、過溫保護、超速保護、短路保護，可以實現(xiàn)低電壓穿越以及外接電源電壓不穩(wěn)定時保護實驗；

注：帶醒目的危險標識，如：有電危險、運行時請勿打開、嚴謹帶電操作等。

雙饋實驗系統(tǒng)結構圖

二、系統(tǒng)運行技術參數(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個標準大氣壓范圍；
• 室內安裝；
• 平臺必須水平安裝；
• 設備正常使用年限：≥20年；
• 環(huán)境要求：環(huán)境通風良好，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，預計占地面積 3m×3m

2.2 定制雙饋變流器系統(tǒng)

風電變流器包括雙饋風機變流器、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、產品可靠、開放性強、保護嚴格等特點。

雙饋風電機組圖及變流器內部圖

模擬風力發(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)設定的風速，將相應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)。該變流器為定制產品，根據(jù)用戶的要求設計，功能特點如下：

• 機側矢量控制，網(wǎng)側矢量解耦P/Q控制；
• 電網(wǎng)電壓在-3%～+7%范圍內波動時能正常運行；
• 并網(wǎng)滿載電流總諧波畸變率5%以下；
• 過流/過壓/過溫保護，分硬件保護和軟件保護；
• 具備低電壓穿越功能；
• 提供直流側外接其他電氣設備的接口；
• 支持電網(wǎng)不平衡度小于 10%時正常發(fā)電運行；
• 支持較寬的運行速度范圍：700-2000RPM；

   10kW背靠背變流器主要指標

2.3 設備主要配置參數(shù)

三、雙饋系統(tǒng)低電壓穿越與實驗

3.1 電網(wǎng)電壓跌落的危害

對雙饋風電機組來說：

• 出現(xiàn)的過電流會損壞電力電子器件；
• DC端過電壓，將威脅直流側元器件；
• 附加的轉矩、應力過大則會損壞風電機組的機械部件；

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，導致大面積電網(wǎng)癱瘓。

3.2 低電壓穿越LVRT定義及意義

當電網(wǎng)故障或擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。

它對系統(tǒng)由較為重要的意義：

• 風機能夠不脫網(wǎng)持續(xù)運行；
• 能夠對電網(wǎng)進行動態(tài)無功功率Q支撐；
• 有助于有功功率P恢復；

3.3 國內低電壓穿越標準

對于低電壓穿越，要求如下圖所示，方案*遵循此標準：

低電壓穿越標準

• 并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms ；
• 跌落后2s 內恢復到額定電壓的90%時，不脫網(wǎng)連續(xù)運行。
• 無功支撐：響應時間不大于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：故障切除后以至少10%額定功率/秒的功率恢復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，并在變流器中進行相應控制：

• Crowbar：其響應時間短，能夠保護變流器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計，不同于Crowbar的投切工作方式，Chopper裝置在運行過程中會進行100Hz左右的斬波動作，大電流關斷時的尖峰很容易導致IGBT過壓實效。因此設計了RCD吸收回路和低感功率回路。

雙饋機組Crowbar

雙饋機組Chopper

其軟件部分邏輯如下：

雙饋機組LVRT軟件邏輯

低穿實驗波形1

低穿實驗波形2

低穿實驗波形3

四、雙饋系統(tǒng)實驗主控軟件

FaceView實驗主控軟件具有風速特性模擬和風機主控功能，能模擬幾種典型風速如：微風、陣風、持續(xù)大風、持續(xù)中速風、或四種風速合成特性。主控和風機模擬的參數(shù)修改權限向用戶開放，用戶可以自由定制風力機特性，選配接收實際的測風儀數(shù)據(jù)。主控功能實現(xiàn)機組并網(wǎng)控制，恒速運行，限功率運行，降功率運行，低電壓穿越，機組脫網(wǎng)控制。

FaceView監(jiān)測以下參量：

• 風速、風輪轉速；
• 驅動電機轉子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩；
• 發(fā)電機轉子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩；
• 變流器直流電壓；
• 網(wǎng)側變流器輸出電壓、電流、功率；
• 電網(wǎng)電壓、電流、功率。

風力發(fā)電模擬界面

曲線觀測界面

參數(shù)設定界面

低電壓實驗

五、開放雙饋風電變流器系統(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、調用，如整流、逆變、電機控制的SVPWM和低電壓穿越算法。

開放內容如下：

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）；
5. 雙饋變流器使用手冊(免費)；
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算法和電機控制SVPWM算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驅動功能、硬件配置功能、通訊功能、保護功能、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算法和電機控制SVPWM算法用戶可以修改、調用。

雙饋風電實驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖如下：

六、可開設實驗及科研教學內容

1. 風力機模擬實驗
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、超同步速運行控制實驗
7. 風力發(fā)電并網(wǎng)功率因素調節(jié)

 實驗項目表