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YG-JXST21型大型雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)/雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學生的教學實踐和科研開發(fā),通過風機控制系統(tǒng)與風機模擬系統(tǒng)的連接,盡可能的模擬實際風力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強,可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC 編程,實現(xiàn)對不同類型風機的模擬以及控制仿真,可用于學生理論研究、實踐等。

一、大型雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

1、整體方案
    (1)動力控制系統(tǒng), 用來模擬自然風通過葉槳產生的轉動力矩輸入到發(fā)電機的機械轉矩,為系統(tǒng)發(fā)電提供原動力。它由電動機、調速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成。
    (2)變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng), 控制雙向可控逆變器使發(fā)電機變速恒頻運行。它由雙饋風力發(fā)電機, 雙向可控逆變器和控制軟件系統(tǒng)等構成。
    (3)風力發(fā)電的主控系統(tǒng), 對整個風力發(fā)電系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和安全控制。主要包括監(jiān)控主機和監(jiān)控軟件、主控系統(tǒng)、多功能測控儀表、模擬風系統(tǒng)、風力發(fā)電安全系統(tǒng)及各類測量儀器儀表等。

風機實驗系統(tǒng)包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發(fā)電機、雙向可控逆變控制器、備用電源、風速模擬等,用于模擬實際風機運行狀態(tài),測試相關硬件和軟件系統(tǒng),分析風機離、并網發(fā)電系統(tǒng)的控制算法。

風機實驗系統(tǒng)電控部分包含主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、逆變并網控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

主控系統(tǒng)用于連接風速風向傳感器、震動傳感器、位置傳感器、測量、安全鏈、監(jiān)控系統(tǒng)等,控制風速方向、偏航、變槳等信息。

變槳系統(tǒng)主要是用于控制三個槳葉的獨立轉動,模擬風機葉槳根據風速及風向變化情況完成變槳控制算法,實現(xiàn)變槳控制。

測試系統(tǒng)主要控制風速模擬系統(tǒng),用于模擬自然風速風向,來測試風力發(fā)電機在不同風速風向情況下的運行狀態(tài);
離、并網控制主要完成風力資源的離、并網利用,分析系統(tǒng)運行的各種工況。
2、大型風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)選型
     2.1、系統(tǒng)整體結構
     在實驗室環(huán)境下研究風力發(fā)電系統(tǒng), 無法得到現(xiàn)場的風能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風系統(tǒng)實現(xiàn)風力發(fā)電機的機械和電氣輸出特性;風力發(fā)電實驗系統(tǒng)構成圖,如圖6

 2.2、系統(tǒng)組成

產品 部件 用途 數量
主控實驗系統(tǒng)
風力發(fā)電系統(tǒng) 風機模擬系統(tǒng) 包括監(jiān)控主機和監(jiān)控軟件、多功能儀表、各種測量儀表及低壓電氣元件,實現(xiàn)整機系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、參數設置及檢測、控制操作等。 1套  
安全鏈 急停、剎車系統(tǒng)、震動和位置等多種傳感器,實現(xiàn)系統(tǒng)異常時的保護功能。
偏航系統(tǒng) 包含偏航電機、偏航控制器、蝸桿式齒輪箱、偏航齒輪、扭攬開關等構成,配合偏航控制器及模擬風發(fā)生系統(tǒng)完成偏航實驗。
變漿系統(tǒng) 包含變漿電機、變漿控制器、蝸桿式齒輪箱、輪轂、限位開關等構成,配合變槳控制器完成變漿實驗。
主控系統(tǒng) 主站PLC為主的主控系統(tǒng)、分站PLC為輔的從站系統(tǒng),實現(xiàn)整機系統(tǒng)的控制,數據采集等功能。
模擬風發(fā)生系統(tǒng) 包含模擬風發(fā)生器、風速風向儀及顯示設備、風向控制系統(tǒng)等,模擬各種實際風況,并完成風速和風向信息的檢測。
調速系統(tǒng) 主要包含原動機的調速裝置,通過調速裝置調節(jié)原動機的狀態(tài),從而通過齒輪箱間接改變風葉的轉動情況,模擬風速對槳葉的改變,為變漿控制提供實驗條件。
逆變單元 包含雙向離、并網逆變器、HMI等,實現(xiàn)風機離、并網功能,對主控系統(tǒng)參數進行監(jiān)控,完成雙饋發(fā)電機的并網實驗。
備用電源 主要以電池組為主,各種低壓電器元件為輔,實現(xiàn)變漿系統(tǒng)在異常情況下的供電。
模擬運行算法 包括 PLC 算法和組態(tài)軟件控制算法,建立實際風力發(fā)電機控制模型,測試主控系統(tǒng)。

 

2.3、主控實驗系統(tǒng)
   主控實驗系統(tǒng)包括主控控制系統(tǒng)以及模擬風發(fā)生系統(tǒng),風機主控系統(tǒng)如圖8。

    2.3.1、主控系統(tǒng)是風力發(fā)電機控制的核心,在滿足風力發(fā)電機安全運行的前提下,盡可能的獲取最大功率。

    2.3.2、主控系統(tǒng)用于模擬實際 1.5~3 MW雙饋型風機的主控系統(tǒng),主要用于模擬實際風機的主控系統(tǒng),采集變漿和偏航的IO 點,實現(xiàn)整機控制。HMI用于顯示和控制PLC 系統(tǒng)。

    2.3.3、風力發(fā)電機主控系統(tǒng)采用主控PLC 與專用HMI,與實際風機控制系統(tǒng)一致,滿足風機控制要求。

    2.3.4、風力發(fā)電機整機模擬系統(tǒng)包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、風速風向發(fā)生儀、監(jiān)控系統(tǒng)等,用于模擬風機內部各種控制信號。模擬測試系統(tǒng)與實際控制系統(tǒng)連接,來模擬風機運行的實際狀況。風力發(fā)電機內部模擬控制信號可通過PLC編程控制,用戶也可在現(xiàn)有硬件基礎上自行開發(fā)控制軟件,實現(xiàn)對各種自然風的模擬,完成對風力發(fā)電機控制算法的研究。

通過風力發(fā)電機控制系統(tǒng)與風力發(fā)電機模擬系統(tǒng)的連接,盡可能的模擬實際風力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強,可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC編程,實現(xiàn)對不同類型風力發(fā)電機的模擬以及控制仿真。可用于學術理論研究、學生實驗等。

此套系統(tǒng)主要功能包括:
   ■可通過此系統(tǒng),讓學生學習主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求;
   ■可通過此系統(tǒng),讓學生學習主控軟件編寫和調試;
   ■可通過此系統(tǒng),讓學生研究和模擬不同風機的運行特點;
   ■可通過此系統(tǒng),讓學生研究和調試風機核心控制算法;
   ■可通過此系統(tǒng),測試完整的主控系統(tǒng),實現(xiàn)主控系統(tǒng)電氣、軟件等測試
  風機主控實驗系統(tǒng)特點:
   ■ 先進性,滿足目前最主流的兆瓦級變速恒頻風機控制系統(tǒng)的要求;
   ■ 開放性,無論是PLC 還是計算機均可自主編程,滿足學生學習的要求;
   ■ 適應性,可滿足不同功率、不同類型的風機測試和模擬;

2.4、模擬風發(fā)生系統(tǒng)
     本實驗系統(tǒng)包括一套測試系統(tǒng),由PLC、變頻器、工控機等組成,主要用于控制模擬風發(fā)生器的風速和風向,模擬實際運行的風速環(huán)境,其功能如下:
   ■ 內部保存多種風速曲線,包括微風、陣風、大風、颶風等,包含風速變化趨勢曲線,可方便的模擬實際的風況;
   ■ 通過變頻器控制,控制不同風速;
   ■顯示屏可以顯示主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的參數,并能方便控制;
   ■ 測試系統(tǒng)通過對不同風速的控制,來測試不同風況下的風力發(fā)電機運行狀態(tài)。

3、系統(tǒng)主要模塊功能特點和技術參數

3.1、雙饋發(fā)電機
      額定功率:3kW;
      額定電壓:380V;
      轉子電壓:124V;
      轉子開路電壓:620V;
      額定轉速:1200rpm;
      級    數:6;
      防護等級:IP44。

3.2雙饋可控逆變控制系統(tǒng)
      響應速度:<300us;
      額定電壓:380V;
      額定頻率:50Hz;
      頻率波動范圍:±1HZ;
      電網電壓總諧波畸變率:4%;
      額定容量:≤10kW;
      功率因數:0.951;
      效    率:滿功率時>=95%;
      冷卻方式: 空冷;
      并網時間:<2s;
      通訊方式:profibus DP;
      噪    聲:≤70dB。

3.3、齒輪箱
      最大負載10kW, 變速比1:90。

3.4、控制系統(tǒng)

3.5、檢測用傳感器
       電機速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅動器供貨,具體按照定貨實際參數。

3.6、電控柜系統(tǒng)
       由調速控制柜、變流控制柜、備用電源柜、主控主控臺組成。

3.7、PLC控制系統(tǒng)
       采用主站PLC為主的主控系統(tǒng)、分站PLC為輔的偏航及變漿系統(tǒng),Profibus DP通訊接口。系統(tǒng)可以通過遠程操控,組態(tài)控制軟件,提供標準的編程接口。

3.8、底座
    (1)組成:基座、塔桿、偏航系統(tǒng)支架、機艙;
    (2)基座:系統(tǒng)尺寸:3.8m×1m×3m范圍內;底座的設計與系統(tǒng)設計過程中采用的具體器件有關,可以根據器件及客戶需求最終確定結構尺寸及加工。
    (3)機艙:葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統(tǒng)、發(fā)電機、傳感器等。

3.9、風速模擬驅動系統(tǒng)
用來模擬風力發(fā)電機中風吹風輪轉動情況,是實驗系統(tǒng)的動力源。其中包括電動機部分和驅動器部分:
    (1) 電動機:三相交流異步電動機
          額定電壓:380V;
          額定電流:15.3A;
          額定功率:7.5kW;
          額定轉速:1440r/min。
   (2)驅動器:西門子440變頻器。
      ■ 主要特征:
          a.調試簡單;
          b.6個可編程,帶隔離的數字輸入;
          c.2個可編程的模擬輸出;
          d.3個完全的可編程的繼電器輸出;
          e.完善的變頻器和電動機保護功能。
      ■ 控制功能的特點:
          a.最新的IGBT技術;
          b.數字微處理器控制;
          c.高質量的矢量控制系統(tǒng);
          d.線性V/F特性;
          e.平方V/F特性;
          f.高品質的PID控制器;
          g.集成的制動(斬波)器;
          h.4個跳轉頻率。
     ■保護功能:
          a.過載能力;
          b.過壓/欠壓保護;
          c.變頻器過溫保護;
          d.接地故障保護;
          e.短路保護;
          f.閉鎖電動機保護;
          g.防止電動機失速;
          h.參數連鎖。

3.10、風速風向模擬系統(tǒng)
   (1)風速風向儀
     ■ 技術指標:
         a.風速測量范圍:0-60m/s;
         b.風速測量精度:±0.4m/s;
         c.風向測量范圍:0-360°;
         d.風向測量精度:±2°;
         e.電     壓  : DC9V-24V;
         f.傳 輸 方 式:數字傳輸485/模擬接口。
  (2)變頻器
         額定電壓:380V;
         額定功率:1.5kW;
         功    能:過載報警、外部故障停機、欠壓停機、RS485通訊接口。
  (3)模擬風發(fā)生器
         額定電壓:380V;
         額定功率:0.85kW;
         最大流量:210m³/h;
         最大吹力:220mbar。

3.11、監(jiān)控系統(tǒng)
    ■ 技術指標:操作系統(tǒng):Windows XP/CE,WinXPE;
                 安裝方式:控制柜面板;
                 工作環(huán)境溫度:-20℃~50℃;
                 工作相對濕度:10~95% ,無凝結。
    ■ 功能特點:
                寬溫度設計,適合低溫下穩(wěn)定運行;
                安全保護,防止風力振動帶來的損壞;
                支持Windoews系統(tǒng)的軟件開發(fā);
                風電機組控制;
                參數顯示和設置;
                權限控制;
                故障記錄查詢;
                歷史數據查詢和統(tǒng)計。

3.12、主控制器功能特點
     ■ 高性能:配置工業(yè)級533MHz處理器,擁有納秒級(13ns)的處理速度;程序運行周期最小可達10ms;支持多任務配置,最多可配置32種不同任務。
     ■ 高可靠性:保護及通訊不受電磁干擾;風電主控制器已通過UL、CE認證;背板背面全部接地,有效抵抗脈沖群干擾;具備良好的電磁兼容性,現(xiàn)場與系統(tǒng)、通道與通道間采用隔離措施。
     ■開放性強:支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議,如 Modbus、Profibus-DP等,同時提供多種接口方式選擇,滿足風力發(fā)電機上通訊設備的需求;
     ■出色的環(huán)境適應性:寬溫型設計,存儲溫度-40℃~70℃,運行溫度-25℃~60℃;出色的三防工藝,防鹽霧、防濕熱、防霉菌,適合于戈壁、灘涂以及海上風力發(fā)電機。
     ■強大的冗余和自診斷功能:擁有強大的自診斷功能,DO模塊具有回讀功能,進行數據比較自檢;
具有掉電檢測和超量程及超限報警功能;支持電源冗余、CPU冗余、通訊冗余,滿足海上風機的高可靠性要求;
     ■適合風電應用的專家模塊:高速測頻模塊、光纖通訊模塊、電量采集模塊等,用于完成風電特殊信號的采集和通訊;
     ■ 易用性和易維護性:模塊支持帶電插拔,新模塊自動進行數據的初始化設置,并快速與CPU建立通信;編程軟件符合IEC61131-3國際標準,具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六種編程語言;靈活的SD存儲卡,可進行工程恢復及備份復制,使系統(tǒng)維護更加方便、快捷;背板上設計有防混銷,以避免插錯模塊;
采用WAGO端子接線,簡單牢固。保證機艙震動過大時,接線不脫落;外形小巧,易于安裝,既可分散,也可集中;

3.13、主控制器編程軟件
     ■功能特點
       符合IEC61131-3標準的編程語言;
       強大的運算功能,支持32位浮點運算;
       支持數組、指針,方便實現(xiàn)復雜運算;
       支持軟件仿真、在線調試及用戶代碼檢查功能;
       集成故障數據分析和顯示功能;
       具有用戶程序密碼保護功能;
       六種編程語言,滿足編程人員進行復雜的邏輯控制需求;
       子程序之間可采用不同的編程語言,并可相互調用;
       支持編寫自定義塊、函數和子程序可保存為內部庫的形式;
       自定義內部庫可以在不同工程中調用;
       可對風機中的關鍵變量進行采樣跟蹤,如風速、槳距角;
       角度、風向、發(fā)電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉矩;
       等進行實時跟蹤,并保存數據。

3.14、安全鏈
         震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統(tǒng),可以避免系統(tǒng)失控。

3.15、電源
         實驗室提供50kVA三相四線AC 380V交流電源、5kVA的AC 220V交流電源及可靠的接地系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)功能

風力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學生的教學實踐和科研開發(fā),通過風機控制系統(tǒng)與風機模擬系統(tǒng)的連接,盡可能的模擬實際風力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強,可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC 編程,實現(xiàn)對不同類型風機的模擬以及控制仿真,可用于學生理論研究、實踐等。實現(xiàn)變速恒頻風力機組發(fā)電狀態(tài)的模擬,包括轉速、轉矩、發(fā)電量及有功、無功調節(jié)。

 ■主要實驗功能如下:
     風力發(fā)電機接線形式實驗;
     空載運轉實驗;
     并網過程實驗;
     并網連續(xù)運行實驗;
     風速模擬實驗;
     轉距模擬實驗;
     發(fā)電功率模擬實驗。

■其它相關發(fā)電性能及測量實驗
     脫網保護模擬實驗;
     控制策略模擬實驗;
     主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求;
     學習主控軟件編寫和調試;
     研究和調試風機核心控制算;
     自主編程應用;
     風力發(fā)電現(xiàn)場參數采集的邏輯分析。

三、設備安裝建議

廠家要求:室內安裝,樓層高度不低于3m,樓層為一樓,門寬3m,樓層走廊3m。