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雙饋異步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)
一、產(chǎn)品概述
雙饋異步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)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(diào)壓器、監(jiān)控軟件六部分組成。
雙饋異步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)采用直流電動機來模擬風力機，通過風電上位機軟件，監(jiān)控PLC來控制直流調(diào)速器，通過改變直流電動機電樞繞組端電壓來模擬自然狀態(tài)下風速的變化，實現(xiàn)輸出功率（轉(zhuǎn)矩）的控制，完成風力機的模擬控制。
圖1 雙饋異步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)參考圖片（結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用戶要求改動）
工業(yè)PC采用力控組態(tài)軟件經(jīng)PLC可編程控制器通過RS-485/USS協(xié)議與調(diào)速器通信，調(diào)速器將機組轉(zhuǎn)速信號、電樞電流、電壓信號等信號上傳，監(jiān)控軟件根據(jù)調(diào)速器上傳的信號以及虛擬風速信號，通過數(shù)字化的典型風力機特性曲線，計算出風力機的輸出功率或轉(zhuǎn)矩，并將其作為直流電動機的控制指令通過RS485下置作為調(diào)速器的給定端加以執(zhí)行，由數(shù)字直流調(diào)速器驅(qū)動直流電動機。其中系統(tǒng)監(jiān)控管理主要是對系統(tǒng)各智能控制裝置的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制，實現(xiàn)風電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(diào)壓器來模擬。
二、技術(shù)方案
在風力發(fā)電技術(shù)中，大型變速恒頻風力發(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。它是通過在雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電源進行勵磁，調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率和相位，實現(xiàn)定子側(cè)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(jié)構(gòu)上類似繞線式異步感應電機，定子與一般的交流電機一樣也有三相分布式繞組；轉(zhuǎn)子與一般電機不同，它也有三相分布式繞組。運行時定子側(cè)直接接入工頻的三相電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入所需的低頻電流。因為定子與轉(zhuǎn)子側(cè)都有能量的流動，所以稱為雙饋電機。也可以稱為交流勵磁電機，因為轉(zhuǎn)子是通過變頻器接入的低頻電流勵磁的。
根據(jù)變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)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變流器是由兩個完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過直流母線連接而成，如圖3所示，其英文名稱為Back-to-Back PWM Converter。由于在變速恒頻交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，兩個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)來區(qū)分它們，而是按照它們的位置分別稱之為網(wǎng)側(cè)PWM變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)即機側(cè)PWM變流器。
圖3 兩電平電壓型雙PWM變流器拓撲結(jié)構(gòu)框圖
在具體的運行控制過程中，這兩個PWM變流器各司其職。其中，網(wǎng)側(cè)變流器的任務主要有兩個，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(shù)符合要求，理論上網(wǎng)側(cè)PWM變流器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這就為整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了另一個途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個PWM變流器正常工作的前提，是通過對輸入電流的有效控制來實現(xiàn)的。
轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用主要有兩個方面，一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無功功率；二是通過控制DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制DFIG的轉(zhuǎn)速或控制DFIG定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運行在風力機的*佳功率曲線上，實現(xiàn)*大風能追蹤（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(cè)的電流頻率可以認為是不變的，由此可以通過檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來確定轉(zhuǎn)子繞組通過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
，電機處于亞同步時取正號，
，電機處于超同步時取負號)。其中：
為電網(wǎng)頻率，
為轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率，
為電機極對數(shù)，
為轉(zhuǎn)差率。
由式（1）可以看出，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速
變化時，若控制轉(zhuǎn)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，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速變化時輸出電能的“恒頻”控制。
三、實驗平臺的技術(shù)性能﹑指標及配備
1. 技術(shù)性能
1.1輸入電壓：三相四線～380V±10% 50Hz
1.2裝置容量：＜15.0kVA
2. 裝置構(gòu)成及各主要元件性能指標
包括雙饋異步風力發(fā)電機組、風力機控制柜、雙饋變流器柜、大功率三相自耦調(diào)壓器、監(jiān)控軟件六個部分。
2.1雙饋異步風力發(fā)電機組
發(fā)電機組由直流電動機、雙饋異步風力發(fā)電機、轉(zhuǎn)速傳感器、機組固定底盤及配套件等構(gòu)成。
2.1.1直流電動機
Ø 額定電樞電壓：DC440V
Ø 額定功率：4kW
Ø 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min
2.1.2直流調(diào)速器
采用功能強大的西門子6RA70型數(shù)字四象限直流調(diào)速器作為原動機的驅(qū)動裝置。在風力發(fā)電實訓中，為原動機提供電源。額定參數(shù)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（線電壓）
Ø 轉(zhuǎn)子開路電壓：AC600V
Ø 同步轉(zhuǎn)速：1500r/min
Ø 轉(zhuǎn)速率調(diào)節(jié)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，直流電動機與雙饋發(fā)電機采用橡膠連軸器軟連接，為保護學生安全，配有防護罩。底座裝設(shè)帶減震功能的支撐腳，為方便機組移動裝設(shè)方向輪1只、定向輪兩只。
圖5 機組參考圖片
2.2仿真器：
適配TMS320F2812。
2.3模擬表頭
采用國標6L2系列表頭，含原動機電樞電壓表、原動機電樞電流表、系統(tǒng)進線電壓表，配三相線電壓切換顯示開關(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(tǒng)。變流器柜的主回路及控制回路構(gòu)成了雙饋變流器，雙饋變流器主要由機側(cè)控制器及網(wǎng)側(cè)控制器兩部分組成。
機側(cè)控制器的作用主要有兩個方面，一是給雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子提供勵磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機的定子側(cè)所發(fā)出的無功功率；二是通過控制雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速或控制發(fā)電機定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使發(fā)電機運行在風力機的*佳功率曲線上，實現(xiàn)*大風能追蹤（捕獲）運行。機側(cè)控制器面板安裝有兩個信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤，240*128點蘭色液晶屏及9個波形測試端子。信號指示燈可對控制器工作、保護狀態(tài)分別指示；鍵盤可完成機側(cè)控制器啟動/停止設(shè)置，*大功率啟動/停止跟蹤設(shè)置，有功/無功給定，手動并網(wǎng)/離網(wǎng)；液晶屏可顯示轉(zhuǎn)速反饋值，有功/無功反饋值；波形測試端子可通過示波器觀測發(fā)電機機轉(zhuǎn)子、定子相電流波形，可觀測發(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(zhuǎn)子電流、定子電壓、電流
Ø 冷卻形式：強迫風冷
Ø 開關(guān)頻率：保證5k開關(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)開關(guān)、預充電、隔離開關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節(jié)點或者干接點信號反饋功能。
網(wǎng)側(cè)控制器面板安裝有三個信號指示燈，16鍵PVC軟鍵盤，240*128點蘭色液晶屏及7個波形測試端子。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，通過鍵盤可完成并網(wǎng)啟動/停止設(shè)置。液晶屏可完成三相電流，電壓有效值顯示，直流母線電壓顯示；面板觀測孔可觀測電網(wǎng)相電流波形、相電壓波形及直流母線電壓波形。
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(cè)三相電流，網(wǎng)側(cè)三相電壓，定子三相電壓，直流母線電壓，直流母線電流
Ø 冷卻形式：強迫風冷
Ø 開關(guān)頻率：保證5k開關(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)開關(guān)、預充電、隔離開關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節(jié)點或者干接點信號反饋功能。
2.5智能電量監(jiān)測儀
Ø 測量三相電流、三相相/線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電量
Ø 2-31次諧波測量
Ø 四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無功電能（kVarh）
Ø 標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線方式
Ø RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規(guī)約
2.6大功率三相自耦調(diào)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(diào)。
3. 監(jiān)控軟件
圖6 機側(cè)部分監(jiān)控軟件
圖7 網(wǎng)側(cè)部分監(jiān)控軟件
四、實驗項目
1. 雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)接線實驗
2. 風力機特性離線仿真實驗
3. 雙饋異步發(fā)電機空載特性實驗
4. 空載并網(wǎng)實驗
5. 并網(wǎng)及功率輸送實驗
6. *大功率跟蹤實驗
7. 有功、無功解耦控制實驗
8. 電能質(zhì)量分析實驗
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