双馈风力发电实验系统，新能源风力发电系统
2014-06-18 09:53
DB-FN02型 大型双馈风力发电实验系统
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。
（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。
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。
大型双馈风力发电实验系统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大型双馈风力发电实验系统系统选型
1.2.1系统整体结构
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
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产品
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部件
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用途
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数量
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主控实验系统
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风力发电系统
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风机模拟系统
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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。
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1套
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安全链
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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�；すδ�。
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偏航系统
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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。
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变浆系统
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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。
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主控系统
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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。
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模拟风发生系统
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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。
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调速系统
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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。
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逆变单元
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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。
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备用电源
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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。
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模拟运行算法
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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。
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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�？楣δ芴氐愫图际醪问�
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）主控制系统包括：控制柜、电气系统、主控计算机及控制系统软件
（2）偏航系统：偏航伺服电机、减速箱及编码器、伺服控制器及控制软件
（3）变浆系统：变浆伺服电机、伺服控制器及控制软件
（4）偏航电机：0.75kW
（5）偏航扭缆CW方向传感器
（6）伺服控制器：
DSP全数字控制方式，可以实现多种电机控制算法
内置电子齿轮控制功能
六种脉冲输入方式，与用户上位机接口方便灵活
编码器反馈脉冲可分频输出，分频数：1-255
键盘及LED数码显示
�；すδ埽壕哂泄埂⒐�、过载、失速等报警
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�；すδ�
■ 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�；�
变频器过温�；�
接地故障�；�
短路保护
闭锁电动机�；�
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�；�、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：210m³/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�；�，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
�；ぜ巴ㄑ恫皇艿绱鸥扇�；
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�？榫哂谢囟凉δ�，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�？�
高速测频�？椤⒐庀送ㄑ赌？�、电量采集�？榈�，用于完成风电特殊信号的采集和通讯；
■ 易用性和易维护性
�？橹С执绮灏�，新�？樽远惺莸某跏蓟柚茫⒖焖儆隒PU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�？�；
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�；すδ�
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�；は低常梢员苊庀低呈Э�。
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�；つＤ馐笛�
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
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。
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�？楣δ芴氐愫图际醪问�
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）主控制系统包括：控制柜、电气系统、主控计算机及控制系统软件
（2）偏航系统：偏航伺服电机、减速箱及编码器、伺服控制器及控制软件
（3）变浆系统：变浆伺服电机、伺服控制器及控制软件
（4）偏航电机：0.75kW
（5）偏航扭缆CW方向传感器
（6）伺服控制器：
DSP全数字控制方式，可以实现多种电机控制算法
内置电子齿轮控制功能
六种脉冲输入方式，与用户上位机接口方便灵活
编码器反馈脉冲可分频输出，分频数：1-255
键盘及LED数码显示
�；すδ埽壕哂泄埂⒐�、过载、失速等报警
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�；すδ�
■ 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�；�
变频器过温�；�
接地故障�；�
短路保护
闭锁电动机�；�
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�；�、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：210m³/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�；�，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
�；ぜ巴ㄑ恫皇艿绱鸥扇�；
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�？榫哂谢囟凉δ�，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�？�
高速测频�？椤⒐庀送ㄑ赌？�、电量采集�？榈�，用于完成风电特殊信号的采集和通讯；
■ 易用性和易维护性
�？橹С执绮灏�，新�？樽远惺莸某跏蓟柚茫⒖焖儆隒PU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�？�；
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�；すδ�
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�；は低常梢员苊庀低呈Э�。
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�；つＤ馐笛�
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
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。