DB-FN02 雙饋風力發電實驗系統
一、產品概述
雙饋風力發電實驗系統采用變速恒頻控制的雙饋異步發電機組，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) 模擬真實風力發電機的啟動、并網、正常運行和停機過程，具備模擬機組變速調節能力，有功、無功的調節能力；
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―時間數據；
3) FaceView實驗主控軟件執行機組運行狀態流程控制和數據記錄、顯示、系統監控等功能；
4) 實現風速和風力機模擬，機組并網控制，機組功率運行控制，機組恒速運行，機組限功率運行，機組低電壓穿越，機組脫網控制等控制功能；
5) 背靠背變流器可實現直流側電壓的初始狀態進行設定，實現單位功率因數并網，實現風力發電機在故障條件下不脫網運行，低電壓穿越的功能，支持風機的低電壓穿越實驗;
6) 軟件分析風力發電的數據與運行特性，能夠顯示異常時的故障原因；
7) RS485接口，提供開放式MODBUS規約接入監控系統；
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，可以實現低電壓穿越以及外接電源電壓不穩定時保護實驗；
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。
雙饋實驗系統結構圖
二、系統運行技術參數
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；
? 環境溫度：-10℃～＋50℃；
? 環境相對濕度: 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；
? 環境要求：環境通風良好，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
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，根據高校和研究所客戶要求定制開發，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
模擬風力發電系統的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實現，前級交流輸入可選接入交流/直流電網，根據設定的風速，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。該變流器為定制產品，根據用戶的要求設計，功能特點如下：
? 機側矢量控制，網側矢量解耦P/Q控制；
? 電網電壓在-3%～+7%范圍內波動時能正常運行；
? 并網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；
? 支持電網不平衡度小于 10%時正常發電運行；
? 支持較寬的運行速度范圍：700-2000RPM；
5.0 kW背靠背變流器主要指標
| 項目指標 | 參數特性 | 項目指標 | 參數特性 |
| 變流器拓撲結構 | 雙級背靠背 | 后級控制方式 | 穩定直流電壓 |
| 額定流功率 | 5.0kW | 后級功率因數 | >0.99 |
| 額定交流電流 | 15A | 直流母線電壓 | 600V |
| 額定交流電壓 | 380V | 直流電流 | 22A |
| 額定電網頻率 | 50Hz | 電流總諧波畸變率（THD） | <3%（額定功率） |
| 允許電網頻率 | 48～50.5Hz | 效率 | 95% |
| 前級控制方式 | 功率控制 | 待機狀態功耗 | <40W |
| 前級功率因數 | >0.99 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
| 防護等級 | IP21 | 標準通訊方式 | RS485 |
2.3 設備主要配置參數
| 驅動變頻器 | 容量等級 | 5.5KW |
| 電壓等級 | 380V | |
| 電機類型 | 異步/永磁同步電動機 | |
| 調速范圍 | 0-2000RPM | |
| 控制方式 | 有PG矢量控制，弱磁控制 | |
| 接口類型 | RS485 | |
| 控制環路 | 速度閉環，力矩閉環 | |
| 精度 | 電壓、電流、轉速、位置、轉矩的信號測量 | |
| 定制變流器 | 功率等級 | 5.5KW |
| 電壓等級 | 380V | |
| 功率拓撲 | 二電平背靠背 | |
| 外形尺寸 | （寬×深×高，mm）800×600×1600 | |
| 電動機 | 額定功率 | 5.5KW |
| 額定轉速 | 1500RPM | |
| 同步轉速 | 1800RPM | |
| 額定電壓 | 380V | |
| 功率因數 | 0.9 | |
| 發電機 | 類 型 | 雙饋發電機 |
| 額定功率 | 5.0kW | |
| 額定電壓 | 380V | |
| 額定頻率 | 50Hz | |
| 額定轉速 | 1500rpm | |
| 轉速范圍 | 0-2000rpm | |
| 絕緣等級 | F級 |
三、雙饋系統低電壓穿越與實驗
3.1 電網電壓跌落的危害
對雙饋風電機組來說：
? 出現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；
對電網來說：
? 引起電網頻率降低；
? 引起電網線壓降低；
? 引發聯鎖效應，導致大面積電網癱瘓。
3.2 低電壓穿越LVRT定義及意義
當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行。
它對系統由較為重要的意義：
? 風機能夠不脫網持續運行；
? 能夠對電網進行動態無功功率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
? 并網點電壓跌至20%額定電壓時，保證不脫網連續運行625ms ；
? 跌落后2s 內恢復到額定電壓的90%時，不脫網連續運行。
? 無功支撐：響應時間不大于75ms，持續時間不少于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。
四、雙饋系統實驗主控軟件
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、持續大風、持續中速風、或四種風速合成特性。主控和風機模擬的參數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據。主控功能實現機組并網控制，恒速運行，限功率運行，降功率運行，低電壓穿越，機組脫網控制。
FaceView監測以下參量：
? 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；
? 網側變流器輸出電壓、電流、功率；
? 電網電壓、電流、功率。
五、開放雙饋風電變流器系統（說明）
算法類的函數開放，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、鎖相環功能、濾波函數等。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。
雙饋風電實驗系統現場圖如下：
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) 并網過程及連續實驗
6) 亞同步速、超同步速運行控制實驗
7) 風力發電并網功率因素調節
實驗項目表
| 編號 | 名稱 | 學生人數 | 類型 |
| 1 | 異步電機空載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
| 2 | 異步電機負載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
| 3 | 雙饋感應電機空載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
| 4 | 雙饋感應電機負載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
| 5 | 風力發電機啟動并網實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
| 6 | 風力發電機正常停機實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
| 7 | 風力發電機異常停機 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
| 8 | 風力發電機正常運行實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
| 9 | 風力發電機脫網保護實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
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