雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)

一、產品概述

本實驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的雙饋異步發(fā)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(fā)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(jié)能力，有功、無功的調節(jié)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(shù)據(jù)；

3) FaceView實驗主控軟件執(zhí)行機組運行狀態(tài)流程控制和數(shù)據(jù)記錄、顯示、系統(tǒng)監(jiān)控等功能；

4) 實現(xiàn)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(xiàn)直流側電壓的初始狀態(tài)進行設定，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網，實現(xiàn)風力發(fā)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(fā)電的數(shù)據(jù)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(guī)約接入監(jiān)控系統(tǒng)；

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(xiàn)低電壓穿越以及外接電源電壓不穩(wěn)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(tǒng)結構圖

二、系統(tǒng)運行技術參數(shù)

2.1 工作條件

（1）輸入電壓：三相四線～380V±10% 50Hz

（2）裝置容量：≤5.0kW

（3）海拔：0～2000m；

（4）環(huán)境溫度：-10℃～＋50℃；

（5）環(huán)境相對濕度: 10～90%(25℃)；

（6）大氣壓力范圍：1個標準大氣壓范圍；

（7）室內安裝；

（8）平臺必須水平安裝；

（9）設備正常使用年限：≥20年；

（10）環(huán)境要求：環(huán)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：

（1）實驗臺：1400×400×400；（長×深×高，mm）

（2）變流器：800×800×2000；

（3）主控柜：800×800×2000；

注：實驗平臺分兩排布置，預計占地面積 4m×4m

2.2 定制雙饋變流器系統(tǒng)

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(fā)，根據(jù)高校和研究所客戶要求定制開發(fā)，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(fā)電系統(tǒng)的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實現(xiàn)，前級交流輸入可選接入交流/直流電網，根據(jù)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(jù)用戶的要求設計，功能特點如下：

2 機側矢量控制，網側矢量解耦P/Q控制；

2 電網電壓在-3%～+7%范圍內波動時能正常運行；

2 并網滿載電流總諧波畸變率5%以下；

2 過流/過壓/過溫保護，分硬件保護和軟件保護；

2 具備低電壓穿越功能；

2 提供直流側外接其他電氣設備的接口；

2 支持電網不平衡度小于 10%時正常發(fā)電運行；

2 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

2.3 設備主要配置參數(shù)

三、雙饋系統(tǒng)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：

2 出現(xiàn)的過電流會損壞電力電子器件；

2 DC端過電壓，將威脅直流側元器件；

2 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：

2 引起電網頻率降低；

2 引起電網線壓降低；

2 引發(fā)聯(lián)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(tǒng)由較為重要的意義：

2 風機能夠不脫網持續(xù)運行；

2 能夠對電網進行動態(tài)無功功率Q支撐；

2 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

2 并網點電壓跌至20%額定電壓時，保證不脫網連續(xù)運行625ms ；

2 跌落后2s 內恢復到額定電壓的90%時，不脫網連續(xù)運行。

2 無功支撐：響應時間不大于75ms，持續(xù)時間不少于550ms ；無功電流滿足IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）

2 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：

2 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

2 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。

雙饋機組Crowbar

雙饋機組Chopper

其軟件部分邏輯如下：

雙饋機組LVRT軟件邏輯

低穿實驗波形1

低穿實驗波形2

低穿實驗波形3

四、雙饋系統(tǒng)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(xù)大風、持續(xù)中速風、或四種風速合成特性。主控和風機模擬的參數(shù)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(shù)據(jù)。主控功能實現(xiàn)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(jiān)測以下參量：

2 風速、風輪轉速；

2 驅動電機轉子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩；

2 發(fā)電機轉子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩；

2 變流器直流電壓；

2 網側變流器輸出電壓、電流、功率；

2 電網電壓、電流、功率。

風力發(fā)電模擬界面

曲線觀測界面

參數(shù)設定界面

低電壓實驗

五、開放雙饋風電變流器系統(tǒng)（說明）

算法類的函數(shù)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(xié)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(huán)功能、濾波函數(shù)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(tǒng)現(xiàn)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(xù)實驗

6) 亞同步速、超同步速運行控制實驗

7) 風力發(fā)電并網功率因素調節(jié)

實驗項目表