JG-FN02 型 大型双馈风力发电实验系统 / 双馈风力发电系统
1. 大型双馈风力发电系统
1.1 整体方案
( 1 )动力控制系统 , 用来模拟自然风通过叶桨产生的转动力矩输入到发电机的机械转矩,为系统发电提供原动力。它由电动机、调速系统和控制系统构成。
( 2 )变速恒频双馈风力发电机的励磁控制系统 , 控制双向可控逆变器使发电机变速恒频运行。它由双馈风力发电机 , 双向可控逆变器和控制软件系统等构成。
( 3 )风力发电的主控系统 , 对整个风力发电系统进行统一监控、管理和安全控制。主要包括监控主机和监控软件、主控系统、多功能测控仪表、模拟风系统、风力发电安全系统及各类测量仪器仪表等。
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风机实验系统包含变桨、主控、主轴、齿轮箱、发电机、双向可控逆变控制器、备用电源、风速模拟等,用于模拟实际风机运行状态,测试相关硬件和软件系统,分析风机离、并网发电系统的控制算法。
风机实验系统电控部分包含主控系统、变桨系统、测试系统、逆变并网控制系统、监控系统等。 主控系统用于连接风速风向传感器、震动传感器、位置传感器、测量、安全链、监控系统等,控制风速方向、偏航、变桨等信息。 变桨系统主要是用于控制三个桨叶的独立转动,模拟风机叶桨根据风速及风向变化情况完成变桨控制算法,实现变桨控制。
测试系统主要控制风速模拟系统,用于模拟自然风速风向,来测试风力发电机在不同风速风向情况下的运行状态;
离、并网控制主要完成风力资源的离、并网利用,分析系统运行的各种工况。
1.2 大型风力发电模拟实验系统选型
1.2.1 系统整体结构
在实验室环境下研究风力发电系统 , 无法得到现场的风能输入 , 也无法安装巨大的桨叶 , 因此用原动机及模拟风系统实现风力发电机的机械和电气输出特性;风力发电实验系统构成图,如图 6
,;
1.2.2 系统组成
系统包含
产品 |
部件 |
用途 |
数量 |
主控实验系统 |
风力发电系统 |
风机模拟系统 |
包括监控主机和监控软件、多功能仪表、各种测量仪表及低压电气元件,实现整机系统的状态显示、参数设置及检测、控制操作等。 |
1 套
,; |
安全链 |
急停、刹车系统、震动和位置等多种传感器,实现系统异常时的保护功能。 |
偏航系统 |
包含偏航电机、偏航控制器、蜗杆式齿轮箱、偏航齿轮、扭揽开关等构成,配合偏航控制器及模拟风发生系统完成偏航实验。 |
变浆系统 |
包含变浆电机、变浆控制器、蜗杆式齿轮箱、轮毂、限位开关等构成,配合变桨控制器完成变浆实验。 |
主控系统 |
主站 PLC 为主的主控系统、分站 PLC 为辅的从站系统,实现整机系统的控制,数据采集等功能。 |
模拟风发生系统 |
包含模拟风发生器、风速风向仪及显示设备、风向控制系统等,模拟各种实际风况,并完成风速和风向信息的检测。 |
调速系统 |
主要包含原动机的调速装置,通过调速装置调节原动机的状态,从而通过齿轮箱间接改变风叶的转动情况,模拟风速对桨叶的改变,为变浆控制提供实验条件。 |
逆变单元 |
包含双向离、并网逆变器、 HMI 等,实现风机离、并网功能,对主控系统参数进行监控,完成双馈发电机的并网实验。 |
备用电源 |
主要以电池组为主,各种低压电器元件为辅,实现变浆系统在异常情况下的供电。 |
模拟运行算法 |
包括 PLC 算法和组态软件控制算法,建立实际风力发电机控制模型,测试主控系统。 |
1.2.3 主控实验系统
主控实验系统包括主控控制系统以及模拟风发生系统,风机主控系统如图 8 。 主控系统是风力发电机控制的核心,在满足风力发电机安全运行的前提下,尽可能的获取最大功率。
主控系统用于模拟实际 1.5 ~ 3 MW 双馈型风机的主控系统,主要用于模拟实际风机的主控系统,采集变浆和偏航的 IO 点,实现整机控制。 HMI 用于显示和控制 PLC 系统。
风力发电机主控系统采用主控 PLC 与专用 HMI ,与实际风机控制系统一致,满足风机控制要求。
风力发电机整机模拟系统包括操作台柜、 PLC 、按钮、指示灯、测控仪表、风速风向发生仪、监控系统等,用于模拟风机内部各种控制信号。模拟测试系统与实际控制系统连接,来模拟风机运行的实际状况。风力发电机内部模拟控制信号可通过 PLC 编程控制,用户也可在现有硬件基础上自行开发控制软件,实现对各种自然风的模拟,完成对风力发电机控制算法的研究。
,;
通过风力发电机控制系统与风力发电机模拟系统的连接,尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强,可通过对控制系统和模拟系统的 PLC 编程,实现对不同类型风力发电机的模拟以及控制仿真。可用于学术理论研究、学生实验等。
此套系统主要功能包括:
■ 可通过此系统,让学生学习主控系统的配置、特点和工艺要求;
■ 可通过此系统,让学生学习主控软件编写和调试;
■ 可通过此系统,让学生研究和模拟不同风机的运行特点;
■ 可通过此系统,让学生研究和调试风机核心控制算法;
■ 可通过此系统,测试完整的主控系统,实现主控系统电气、软件等测试
风机主控实验系统特点:
■ ,; 先进性,满足目前最主流的兆瓦级变速恒频风机控制系统的要求;
■ ,; 开放性,无论是 PLC 还是计算机均可自主编程,满足学生学习的要求;
■ ,; 适应性,可满足不同功率、不同类型的风机测试和模拟;
1.2.4 模拟风发生系统
本实验系统包括一套测试系统,由 PLC 、变频器、工控机等组成,主要用于控制模拟风发生器的风速和风向,模拟实际运行的风速环境,其功能如下:
■ ,; 内部保存多种风速曲线,包括微风、阵风、大风、飓风等,包含风速变化趋势曲线,可方便的模拟实际的风况;
■ ,; 通过变频器控制,控制不同风速;
■ 显示屏可以显示主控系统、变桨系统、偏航系统和测试系统的参数,并能方便控制;
■ ,; 测试系统通过对不同风速的控制,来测试不同风况下的风力发电机运行状态。
1.3 系统主要模块功能特点和技术参数
1.3.1 双馈发电机
额定功率: 3kW
额定电压: 380V
转子电压: 124V
转子开路电压: 620V
额定转速: 1200rpm
级数: 6
防护等级: IP44
1.3.2 双馈可控逆变控制系统
响应速度: <300us
额定电压: 380V
额定频率: 50Hz
频率波动范围:± 1HZ
电网电压总谐波畸变率: 4%
额定容量: <=10kW
功率因数: 0.951
效率:满功率时 >=95%
冷却方式 : 空冷
并网时间: <2s
通讯方式: profibus DP
噪声:= <70dB
1.3.3 齿轮箱
最大负载 10kW , 变速比 1:90
1.3.4 控制系统
1.3.5 检测用传感器
,;,;,; 电机速度、位置编码器、电流、电压传感器。随驱动器供货,具体按照定货实际参数
1.3.6 电控柜系统
,;,;,;,;,;,; 由调速控制柜、变流控制柜、备用电源柜、主控主控台组成。
1.3.7 PLC 控制系统
采用主站 PLC 为主的主控系统、分站 PLC 为辅的偏航及变浆系统, Profibus DP 通讯接口。系统可以通过远程操控,组态控制软件,提供标准的编程接口。
1.3.8 底座
( 1 )组成:基座、塔杆、偏航系统支架、机舱;
( 2 )基座:系统尺寸: 3.8m × 1m × 3m 范围内;底座的设计与系统设计过程中采用的具体器件有关,可以根据器件及客户需求最终确定结构尺寸及加工。
( 3 )机舱:叶桨、轮毂、齿轮箱、拖动系统、发电机、传感器等。
1.3.9 风速模拟驱动系统
用来模拟风力发电机中风吹风轮转动情况,是实验系统的动力源。其中包括电动机部分和驱动器部分:
(1) 电动机:三相交流异步电动机
额定电压: 380V
额定电流: 15.3A
额定功率: 7.5kW
额定转速: 1440r/min
(2) 驱动器:西门子 440 变频器
■ ,; 主要特征:
调试简单
6 个可编程,带隔离的数字输入
2 个可编程的模拟输出
3 个完全的可编程的继电器输出
完善的变频器和电动机保护功能
■ ,; 控制功能的特点:
最新的 IGBT 技术
数字微处理器控制
高质量的矢量控制系统
线性 V/F 特性
平方 V/F 特性
高品质的 PID 控制器
集成的制动(斩波)器
4 个跳转频率
■ 保护功能:
过载能力
过压 / 欠压保护
变频器过温保护
接地故障保护
短路保护
闭锁电动机保护
防止电动机失速
参数连锁
1.3.10 风速风向模拟系统
( 1 )风速风向仪
■ ,; 技术指标:
风速测量范围: 0-60m/s
风速测量精度:± 0.4m/s
风向测量范围: 0-360 °
风向测量精度:± 2 °
电压: DC9V-24V
传输方式:数字传输 485/ 模拟接口
( 2 )变频器
,; 额定电压: 380V
,; 额定功率: 1.5kW
,; 功能:过载报警、外部故障停机、欠压停机、 RS485 通讯接口
( 3 )模拟风发生器
,; 额定电压: 380V
,; 额定功率: 0.85kW
,; 最大流量: 210m 3 /h
,; 最大吹力: 220mbar
1.3.11 监控系统
■ ,; 技术指标:
操作系统: Windows XP/CE , WinXPE
安装方式:控制柜面板
工作环境温度: -20 ℃ ~50 ℃
工作相对湿度: 10 ~ 95% ,无凝结
■ ,; 功能特点:
宽温度设计,适合低温下稳定运行
安全保护,防止风力振动带来的损坏
支持 Windoews 系统的软件开发
风电机组控制
参数显示和设置
权限控制
故障记录查询
历史数据查询和统计
1.3.12 主控制器功能特点
■ ,; 高性能
配置工业级 533MHz 处理器,拥有纳秒级( 13ns )的处理速度;
程序运行周期最小可达 10ms ;
支持多任务配置,最多可配置 32 种不同任务。
■ ,; 高可靠性
保护及通讯不受电磁干扰;
风电主控制器已通过 UL 、 CE 认证;
背板背面全部接地,有效抵抗脉冲群干扰;
具备良好的电磁兼容性,现场与系统、通道与通道间采用隔离措施。
■ 开放性强
支持多种现场总线协议,如 Modbus 、 Profibus-DP 等,同时提供多种接口方式选择,满足风力发电机上通讯设备的需求;
■ 出色的环境适应性
宽温型设计,存储温度 -40 ℃~ 70 ℃,运行温度 -25 ℃~ 60 ℃;
出色的三防工艺,防盐雾、防湿热、防霉菌,适合于戈壁、滩涂以及海上风力发电机。
■ 强大的冗余和自诊断功能
拥有强大的自诊断功能, DO 模块具有回读功能,进行数据比较自检;
具有掉电检测和超量程及超限报警功能;
支持电源冗余、 CPU 冗余、通讯冗余,满足海上风机的高可靠性要求;
■ 适合风电应用的专家模块
高速测频模块、光纤通讯模块、电量采集模块等,用于完成风电特殊信号的采集和通讯;
■ ,; 易用性和易维护性
模块支持带电插拔,新模块自动进行数据的初始化设置,并快速与 CPU 建立通信;
编程软件符合 IEC61131-3 国际标准,具有 LD 、 IL 、 FBD 、 ST 、 SFC 和 CFC 六种编程语言;
灵活的 SD 存储卡,可进行工程恢复及备份复制,使系统维护更加方便、快捷;
背板上设计有防混销,以避免插错模块;
采用 WAGO 端子接线,简单牢固。保证机舱震动过大时,接线不脱落;
外形小巧,易于安装,既可分散,也可集中;
1.3.13 主控制器编程软件
■ 功能特点
,;,;,; 符合 IEC61131-3 标准的编程语言
,;,;,; 强大的运算功能,支持 32 位浮点运算
,;,;,; 支持数组、指针,方便实现复杂运算
,;,;,; 支持软件仿真、在线调试及用户代码检查功能
,;,;,; 集成故障数据分析和显示功能
,;,;,; 具有用户程序密码保护功能
,;,;,; 六种编程语言,满足编程人员进行复杂的逻辑控制需求
,;,;,; 子程序之间可采用不同的编程语言,并可相互调用
,;,;,; 支持编写自定义块、函数和子程序可保存为内部库的形式
,;,;,; 自定义内部库可以在不同工程中调用
,;,;,; 可对风机中的关键变量进行采样跟踪,如风速、桨距角
,;,;,; 角度、风向、发电机输出电流、电压、变流器反馈转矩
,;,;,; 等进行实时跟踪,并保存数据
1.3.14 安全链
震动、过压、超速、解缆失灵等故障保护系统,可以避免系统失控。
1.3.15 电源
实验室提供 50kVA 三相四线 AC 380V 交流电源、 5kVA 的 AC 220V 交流电源及可靠的接地系统。
2. 系统功能
风力发电机实验系统主要用于学生的教学实践和科研开发,通过风机控制系统与风机模拟系统的连接,尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强,可通过对控制系统和模拟系统的 PLC 编程,实现对不同类型风机的模拟以及控制仿真,可用于学生理论研究、实践等。实现变速恒频风力机组发电状态的模拟,包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。
■ 主要实验功能如下:
,;,; 风力发电机接线形式实验
,;,; 空载运转实验
,;,; 并网过程实验
,;,; 并网连续运行实验
,;,; 风速模拟实验
,;,; 转距模拟实验
,;,; 发电功率模拟实验
,;,; 其它相关发电性能及测量实验
,;,; 脱网保护模拟实验
,;,; 控制策略模拟实验
,;,; 主控系统的配置、特点和工艺要求
,;,; 学习主控软件编写和调试
,;,; 研究和调试风机核心控制算法
,;,; 自主编程应用
,;,; 风力发电现场参数采集的逻辑分析
3. 设备安装建议
厂家要求:室内安装,楼层高度不低于 3m ,楼层为一楼,门宽 3m ,楼层走廊 3m 。
,;
,;
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