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雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗系統
一、產(chǎn)品概述
雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗系統由雙饋異步發(fā)電機組、控制屏、變流器柜、大功率三相自耦調壓器、監控軟件六部分組成。
本系統采用直流電動(dòng)機來(lái)模擬風(fēng)力機，通過(guò)風(fēng)電上位機軟件，監控PLC來(lái)控制直流調速器，通過(guò)改變直流電動(dòng)機電樞繞組端電壓來(lái)模擬自然狀態(tài)下風(fēng)速的變化，實(shí)現輸出功率（轉矩）的控制，完成風(fēng)力機的模擬控制。
圖4- 雙饋電機的工作示意圖
關(guān)鍵詞： 數控車(chē)床 實(shí)訓設備 實(shí)訓裝置 教學(xué)儀器 教學(xué)設備 實(shí)驗設備 實(shí)驗平臺 實(shí)訓臺 考核裝置 實(shí)訓系統 實(shí)驗裝置 數控技術(shù) 技能實(shí)訓 數控系統 電氣控制 實(shí)訓鑒定 實(shí)驗系統 數控軟件 數控實(shí)訓 電氣技術(shù) 實(shí)訓目錄 數控銑床 高教設備 職教設備 實(shí)訓車(chē)床 PLC控制 PLC技術(shù) PLC實(shí)驗 變頻調速 PLC實(shí)訓
雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗系統由雙饋異步發(fā)電機組、控制屏、變流器柜、大功率三相自耦調壓器、監控軟件六部分組成。
本系統采用直流電動(dòng)機來(lái)模擬風(fēng)力機，通過(guò)風(fēng)電上位機軟件，監控PLC來(lái)控制直流調速器，通過(guò)改變直流電動(dòng)機電樞繞組端電壓來(lái)模擬自然狀態(tài)下風(fēng)速的變化，實(shí)現輸出功率（轉矩）的控制，完成風(fēng)力機的模擬控制。
圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗系統參考圖片（結構可以根據用戶(hù)要求改動(dòng)）
工業(yè)PC采用力控組態(tài)軟件經(jīng)PLC可編程控制器通過(guò)RS-485/USS協(xié)議與調速器通信，調速器將機組轉速信號、電樞電流、電壓信號等信號上傳，監控軟件根據調速器上傳的信號以及虛擬風(fēng)速信號，通過(guò)數字化的典型風(fēng)力機特性曲線(xiàn)，計算出風(fēng)力機的輸出功率或轉矩，并將其作為直流電動(dòng)機的控制指令通過(guò)RS485下置作為調速器的給定端加以執行，由數字直流調速器驅動(dòng)直流電動(dòng)機。其中系統監控管理主要是對系統各智能控制裝置的數據采集與監視控制，實(shí)現風(fēng)電SCADA。
發(fā)電機采用雙饋異步發(fā)電機，變流器控制部分采用DSP處理器；功率部分采用雙向背靠背PWM變流器模塊。電網(wǎng)則采用9kVA調壓器來(lái)模擬。
二、技術(shù)方案
在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為其主要發(fā)展方向之一。其中，交流勵磁雙饋電機發(fā)電是一種比較優(yōu)化的控制方案。它是通過(guò)在雙饋發(fā)電機的轉子側施加三相交流電源進(jìn)行勵磁，調節勵磁電流的幅值、頻率和相位，實(shí)現定子側輸出電量的控制。
發(fā)電機采用雙饋異步發(fā)電機，變流器控制部分采用DSP處理器；功率部分采用雙向背靠背PWM變流器模塊。電網(wǎng)則采用9kVA調壓器來(lái)模擬。
二、技術(shù)方案
在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為其主要發(fā)展方向之一。其中，交流勵磁雙饋電機發(fā)電是一種比較優(yōu)化的控制方案。它是通過(guò)在雙饋發(fā)電機的轉子側施加三相交流電源進(jìn)行勵磁，調節勵磁電流的幅值、頻率和相位，實(shí)現定子側輸出電量的控制。
圖2 技術(shù)方案參考圖片
雙饋異步發(fā)電機在結構上類(lèi)似繞線(xiàn)式異步感應電機，定子與一般的交流電機一樣也有三相分布式繞組；轉子與一般電機不同，它也有三相分布式繞組。運行時(shí)定子側直接接入工頻的三相電網(wǎng)，轉子側通過(guò)變頻器接入所需的低頻電流。因為定子與轉子側都有能量的流動(dòng)，所以稱(chēng)為雙饋電機。也可以稱(chēng)為交流勵磁電機，因為轉子是通過(guò)變頻器接入的低頻電流勵磁的。
根據變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統對交流勵磁電源的要求，針對目前適合用作交流勵磁電源的變流器進(jìn)行詳細深入的比較分析，認為在目前的電力電子技術(shù)條件下，兩電平電壓型雙PWM變流器是可用作變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機交流勵磁電源*具優(yōu)勢的一種變流器。
兩電平電壓型雙PWM變流器是由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過(guò)直流母線(xiàn)連接而成，如圖3所示，其英文名稱(chēng)為Back-to-Back PWM Converter。由于在變速恒頻交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統的運行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變流器的工作狀態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來(lái)區分它們，而是按照它們的位置分別稱(chēng)之為網(wǎng)側PWM變流器和轉子側即機側PWM變流器。
根據變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統對交流勵磁電源的要求，針對目前適合用作交流勵磁電源的變流器進(jìn)行詳細深入的比較分析，認為在目前的電力電子技術(shù)條件下，兩電平電壓型雙PWM變流器是可用作變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機交流勵磁電源*具優(yōu)勢的一種變流器。
兩電平電壓型雙PWM變流器是由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過(guò)直流母線(xiàn)連接而成，如圖3所示，其英文名稱(chēng)為Back-to-Back PWM Converter。由于在變速恒頻交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統的運行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變流器的工作狀態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來(lái)區分它們，而是按照它們的位置分別稱(chēng)之為網(wǎng)側PWM變流器和轉子側即機側PWM變流器。
圖3 兩電平電壓型雙PWM變流器拓撲結構框圖
在具體的運行控制過(guò)程中，這兩個(gè)PWM變流器各司其職。其中，網(wǎng)側變流器的任務(wù)主要有兩個(gè)，一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數符合要求，理論上網(wǎng)側PWM變流器可獲得任意可調的功率因數，這就為整個(gè)系統的功率因數的控制提供了另一個(gè)途徑；二是保證直流母線(xiàn)電壓的穩定，直流母線(xiàn)電壓的穩定是兩個(gè)PWM變流器正常工作的前提，是通過(guò)對輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現的。
轉子側變流器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給DFIG的轉子提供勵磁分量的電流，從而可以調節DFIG定子側所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制DFIG轉子轉矩分量的電流控制DFIG的轉速或控制DFIG定子側所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運行在風(fēng)力機的*佳功率曲線(xiàn)上，實(shí)現*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運行。
轉子側變流器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給DFIG的轉子提供勵磁分量的電流，從而可以調節DFIG定子側所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制DFIG轉子轉矩分量的電流控制DFIG的轉速或控制DFIG定子側所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運行在風(fēng)力機的*佳功率曲線(xiàn)上，實(shí)現*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運行。
圖4- 雙饋電機的工作示意圖
若將雙饋電機的定子接入電網(wǎng)上，則定子側的電流頻率可以認為是不變的，由此可以通過(guò)檢測轉子的轉速來(lái)確定轉子繞組通過(guò)變頻器提供勵磁電流的頻率
，由電機原理可以得出以下關(guān)系式：
（1）
(其中當n<n1，電機處于亞同步時(shí)取正號，n>n1，電機處于超同步時(shí)取負號)。其中：
為電網(wǎng)頻率，
為轉子勵磁電流頻率，P為電機極對數，s為轉差率。
，由電機原理可以得出以下關(guān)系式：（1）
(其中當n<n1，電機處于亞同步時(shí)取正號，n>n1，電機處于超同步時(shí)取負號)。其中：為電網(wǎng)頻率，為轉子勵磁電流頻率，P為電機極對數，s為轉差率。
由式（1）可以看出，當發(fā)電機轉速n變化時(shí)，若控制轉子電流頻率
相應變化，可使定子電流頻率
恒定不變且與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現了轉速變化時(shí)輸出電能的“恒頻”控制。
三、實(shí)驗平臺的技術(shù)性能﹑指標及配備
1. 技術(shù)性能
1.1輸入電壓：三相四線(xiàn)～380V±10% 50Hz
1.2裝置容量：＜15.0kVA
2. 裝置構成及各主要元件性能指標
包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組、風(fēng)力機控制柜、雙饋變流器柜、大功率三相自耦調壓器、監控軟件六個(gè)部分。
2.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組
發(fā)電機組由直流電動(dòng)機、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機、轉速傳感器、機組固定底盤(pán)及配套件等構成。
2.1.1直流電動(dòng)機
Ø 額定電樞電壓：DC440V
Ø 額定功率：4kW
Ø 額定轉速：1500r/min
2.1.2直流調速器
采用功能強大的西門(mén)子6RA70型數字四象限直流調速器作為原動(dòng)機的驅動(dòng)裝置。在風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓中，為原動(dòng)機提供電源。額定參數如下：
Ø *大輸出功率：6.3kW
Ø 額定電樞電流：15A
Ø 額定電樞電壓：420V
Ø 額定勵磁電流：3A
Ø 額定勵磁電壓：325V
Ø 通訊口：RS485/232，支持 USS通訊協(xié)議
2.1.3雙饋異步發(fā)電機
Ø 額定功率：3kW
Ø 額定定子電壓：AC380V（線(xiàn)電壓）
Ø 轉子開(kāi)路電壓：AC600V
Ø 同步轉速：1500r/min
Ø 轉速率調節范圍：±25%
2.1.4機組固定底座及配套件
參考圖5，機組底座采用整體翻砂件，表面平整度高，直流電動(dòng)機與雙饋發(fā)電機采用橡膠連軸器軟連接，為保護學(xué)生安全，配有防護罩。底座裝設帶減震功能的支撐腳，為方便機組移動(dòng)裝設方向輪1只、定向輪兩只。
2.2仿真器：
適配TMS320F2812。
2.3模擬表頭
采用國標6L2系列表頭，含原動(dòng)機電樞電壓表、原動(dòng)機電樞電流表、系統進(jìn)線(xiàn)電壓表，配三相線(xiàn)電壓切換顯示開(kāi)關(guān)。
2.4雙饋變流器柜
變流器柜含雙饋變流器主回路和控制系統。變流器柜的主回路及控制回路構成了雙饋變流器，雙饋變流器主要由機側控制器及網(wǎng)側控制器兩部分組成。
機側控制器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給雙饋發(fā)電機的轉子提供勵磁分量的電流，從而可以調節雙饋發(fā)電機的定子側所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制雙饋發(fā)電機轉子轉矩分量的電流控制發(fā)電機的轉速或控制發(fā)電機定子側所發(fā)出的有功功率，從而使發(fā)電機運行在風(fēng)力機的*佳功率曲線(xiàn)上，實(shí)現*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運行。機側控制器面板安裝有兩個(gè)信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及9個(gè)波形測試端子。信號指示燈可對控制器工作、保護狀態(tài)分別指示；鍵盤(pán)可完成機側控制器啟動(dòng)/停止設置，*大功率啟動(dòng)/停止跟蹤設置，有功/無(wú)功給定，手動(dòng)并網(wǎng)/離網(wǎng)；液晶屏可顯示轉速反饋值，有功/無(wú)功反饋值；波形測試端子可通過(guò)示波器觀(guān)測發(fā)電機機轉子、定子相電流波形，可觀(guān)測發(fā)電機定子相電壓、電網(wǎng)相電壓波形。
參考圖片
Ø 濾波形式：L
Ø 控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口
Ø 采集信號：定子三相電壓，轉子電流、定子電壓、電流
Ø 冷卻形式：強迫風(fēng)冷
Ø 開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國家和行業(yè)標準。
Ø 其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號反饋功能。
網(wǎng)側控制器面板安裝有三個(gè)信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及7個(gè)波形測試端子。信號指示燈可對控制器工作、故障、卸荷狀態(tài)分別給于指示，通過(guò)鍵盤(pán)可完成并網(wǎng)啟動(dòng)/停止設置。液晶屏可完成三相電流，電壓有效值顯示，直流母線(xiàn)電壓顯示；面板觀(guān)測孔可觀(guān)測電網(wǎng)相電流波形、相電壓波形及直流母線(xiàn)電壓波形。
參考圖片
Ø 濾波形式：LCL或者LC，可選
Ø 額定電壓：380V
Ø 控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口
Ø 采集信號：網(wǎng)側三相電流，網(wǎng)側三相電壓，定子三相電壓，直流母線(xiàn)電壓，直流母線(xiàn)電流
Ø 冷卻形式：強迫風(fēng)冷
Ø 開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國家和行業(yè)標準。
Ø 其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號反饋功能。
2.5智能電量監測儀
Ø 測量三相電流、三相相/線(xiàn)電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等電量
Ø 2-31次諧波測量
Ø 四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無(wú)功電能（kVarh）
Ø 標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線(xiàn)方式
Ø RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規約
2.6大功率三相自耦調壓器
額定容量：9kVA，原邊額定輸入三相AC380V，副邊額定輸出AC 0～430V可調。
3. 監控軟件
圖6 機側部分監控軟件
圖7 網(wǎng)側部分監控軟件
四、實(shí)驗項目
1. 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統接線(xiàn)實(shí)驗
2. 風(fēng)力機特性離線(xiàn)仿真實(shí)驗
3. 雙饋異步發(fā)電機空載特性實(shí)驗
4. 空載并網(wǎng)實(shí)驗
5. 并網(wǎng)及功率輸送實(shí)驗
6. *大功率跟蹤實(shí)驗
7. 有功、無(wú)功解耦控制實(shí)驗
8. 電能質(zhì)量分析實(shí)驗
相應變化，可使定子電流頻率恒定不變且與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現了轉速變化時(shí)輸出電能的“恒頻”控制。三、實(shí)驗平臺的技術(shù)性能﹑指標及配備
1. 技術(shù)性能
1.1輸入電壓：三相四線(xiàn)～380V±10% 50Hz
1.2裝置容量：＜15.0kVA
2. 裝置構成及各主要元件性能指標
包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組、風(fēng)力機控制柜、雙饋變流器柜、大功率三相自耦調壓器、監控軟件六個(gè)部分。
2.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組
發(fā)電機組由直流電動(dòng)機、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機、轉速傳感器、機組固定底盤(pán)及配套件等構成。
2.1.1直流電動(dòng)機
Ø 額定電樞電壓：DC440V
Ø 額定功率：4kW
Ø 額定轉速：1500r/min
2.1.2直流調速器
采用功能強大的西門(mén)子6RA70型數字四象限直流調速器作為原動(dòng)機的驅動(dòng)裝置。在風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓中，為原動(dòng)機提供電源。額定參數如下：
Ø *大輸出功率：6.3kW
Ø 額定電樞電流：15A
Ø 額定電樞電壓：420V
Ø 額定勵磁電流：3A
Ø 額定勵磁電壓：325V
Ø 通訊口：RS485/232，支持 USS通訊協(xié)議
2.1.3雙饋異步發(fā)電機
Ø 額定功率：3kW
Ø 額定定子電壓：AC380V（線(xiàn)電壓）
Ø 轉子開(kāi)路電壓：AC600V
Ø 同步轉速：1500r/min
Ø 轉速率調節范圍：±25%
2.1.4機組固定底座及配套件
參考圖5，機組底座采用整體翻砂件，表面平整度高，直流電動(dòng)機與雙饋發(fā)電機采用橡膠連軸器軟連接，為保護學(xué)生安全，配有防護罩。底座裝設帶減震功能的支撐腳，為方便機組移動(dòng)裝設方向輪1只、定向輪兩只。
2.2仿真器：
適配TMS320F2812。
2.3模擬表頭
采用國標6L2系列表頭，含原動(dòng)機電樞電壓表、原動(dòng)機電樞電流表、系統進(jìn)線(xiàn)電壓表，配三相線(xiàn)電壓切換顯示開(kāi)關(guān)。
2.4雙饋變流器柜
變流器柜含雙饋變流器主回路和控制系統。變流器柜的主回路及控制回路構成了雙饋變流器，雙饋變流器主要由機側控制器及網(wǎng)側控制器兩部分組成。
機側控制器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給雙饋發(fā)電機的轉子提供勵磁分量的電流，從而可以調節雙饋發(fā)電機的定子側所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制雙饋發(fā)電機轉子轉矩分量的電流控制發(fā)電機的轉速或控制發(fā)電機定子側所發(fā)出的有功功率，從而使發(fā)電機運行在風(fēng)力機的*佳功率曲線(xiàn)上，實(shí)現*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運行。機側控制器面板安裝有兩個(gè)信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及9個(gè)波形測試端子。信號指示燈可對控制器工作、保護狀態(tài)分別指示；鍵盤(pán)可完成機側控制器啟動(dòng)/停止設置，*大功率啟動(dòng)/停止跟蹤設置，有功/無(wú)功給定，手動(dòng)并網(wǎng)/離網(wǎng)；液晶屏可顯示轉速反饋值，有功/無(wú)功反饋值；波形測試端子可通過(guò)示波器觀(guān)測發(fā)電機機轉子、定子相電流波形，可觀(guān)測發(fā)電機定子相電壓、電網(wǎng)相電壓波形。
參考圖片
Ø 濾波形式：L
Ø 控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口
Ø 采集信號：定子三相電壓，轉子電流、定子電壓、電流
Ø 冷卻形式：強迫風(fēng)冷
Ø 開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國家和行業(yè)標準。
Ø 其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號反饋功能。
網(wǎng)側控制器面板安裝有三個(gè)信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及7個(gè)波形測試端子。信號指示燈可對控制器工作、故障、卸荷狀態(tài)分別給于指示，通過(guò)鍵盤(pán)可完成并網(wǎng)啟動(dòng)/停止設置。液晶屏可完成三相電流，電壓有效值顯示，直流母線(xiàn)電壓顯示；面板觀(guān)測孔可觀(guān)測電網(wǎng)相電流波形、相電壓波形及直流母線(xiàn)電壓波形。
參考圖片
Ø 濾波形式：LCL或者LC，可選
Ø 額定電壓：380V
Ø 控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口
Ø 采集信號：網(wǎng)側三相電流，網(wǎng)側三相電壓，定子三相電壓，直流母線(xiàn)電壓，直流母線(xiàn)電流
Ø 冷卻形式：強迫風(fēng)冷
Ø 開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國家和行業(yè)標準。
Ø 其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號反饋功能。
2.5智能電量監測儀
Ø 測量三相電流、三相相/線(xiàn)電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等電量
Ø 2-31次諧波測量
Ø 四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無(wú)功電能（kVarh）
Ø 標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線(xiàn)方式
Ø RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規約
2.6大功率三相自耦調壓器
額定容量：9kVA，原邊額定輸入三相AC380V，副邊額定輸出AC 0～430V可調。
3. 監控軟件
圖6 機側部分監控軟件
圖7 網(wǎng)側部分監控軟件
四、實(shí)驗項目
1. 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統接線(xiàn)實(shí)驗
2. 風(fēng)力機特性離線(xiàn)仿真實(shí)驗
3. 雙饋異步發(fā)電機空載特性實(shí)驗
4. 空載并網(wǎng)實(shí)驗
5. 并網(wǎng)及功率輸送實(shí)驗
6. *大功率跟蹤實(shí)驗
7. 有功、無(wú)功解耦控制實(shí)驗
8. 電能質(zhì)量分析實(shí)驗