風(fēng)力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學(xué)生的教學(xué)實踐和科研開發(fā)，通過風(fēng)機控制系統(tǒng)與風(fēng)機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風(fēng)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(fēng)機的模擬以及控制仿真，可用于學(xué)生理論研究、實踐等。

詳細介紹

一、大型雙饋風(fēng)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(fēng)通過葉槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩輸入到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩，為系統(tǒng)發(fā)電提供原動力。它由電動機、調(diào)速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。
（2）變速恒頻雙饋風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機, 雙向可控逆變器和控制軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。
（3）風(fēng)力發(fā)電的主控系統(tǒng), 對整個風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電安全系統(tǒng)及各類測量儀器儀表等。

風(fēng)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(fēng)速模擬等，用于模擬實際風(fēng)機運行狀態(tài)，測試相關(guān)硬件和軟件系統(tǒng)，分析風(fēng)機離、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制算法。

風(fēng)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(wǎng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

主控系統(tǒng)用于連接風(fēng)速風(fēng)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(fēng)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(zhuǎn)動，模擬風(fēng)機葉槳根據(jù)風(fēng)速及風(fēng)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(fēng)速模擬系統(tǒng)，用于模擬自然風(fēng)速風(fēng)向，來測試風(fēng)力發(fā)電機在不同風(fēng)速風(fēng)向情況下的運行狀態(tài)；
離、并網(wǎng)控制主要完成風(fēng)力資源的離、并網(wǎng)利用，分析系統(tǒng)運行的各種工況。
2、大型風(fēng)力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)選型
2.1、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
在實驗室環(huán)境下研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng), 無法得到現(xiàn)場的風(fēng)能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的機械和電氣輸出特性；風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)構(gòu)成圖，如圖6

2.2、系統(tǒng)組成

產(chǎn)品	部件	用途	數(shù)量
主控實驗系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)	風(fēng)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(shù)設(shè)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(guān)等構(gòu)成，配合偏航控制器及模擬風(fēng)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(guān)等構(gòu)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(shù)據(jù)采集等功能。
	模擬風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)	包含模擬風(fēng)發(fā)生器、風(fēng)速風(fēng)向儀及顯示設(shè)備、風(fēng)向控制系統(tǒng)等，模擬各種實際風(fēng)況，并完成風(fēng)速和風(fēng)向信息的檢測。
	調(diào)速系統(tǒng)	主要包含原動機的調(diào)速裝置，通過調(diào)速裝置調(diào)節(jié)原動機的狀態(tài)，從而通過齒輪箱間接改變風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動情況，模擬風(fēng)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(wǎng)逆變器、HMI等，實現(xiàn)風(fēng)機離、并網(wǎng)功能，對主控系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控，完成雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)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(fēng)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(fēng)發(fā)生系統(tǒng)，風(fēng)機主控系統(tǒng)如圖8。

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

2.3.2、主控系統(tǒng)用于模擬實際 1.5～3 MW雙饋型風(fēng)機的主控系統(tǒng)，主要用于模擬實際風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機主控系統(tǒng)采用主控PLC 與專用HMI，與實際風(fēng)機控制系統(tǒng)一致，滿足風(fēng)機控制要求。

2.3.4、風(fēng)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(fēng)速風(fēng)向發(fā)生儀、監(jiān)控系統(tǒng)等，用于模擬風(fēng)機內(nèi)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(fēng)機運行的實際狀況。風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)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(chǔ)上自行開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)對各種自然風(fēng)的模擬，完成對風(fēng)力發(fā)電機控制算法的研究。

通過風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的模擬以及控制仿真。可用于學(xué)術(shù)理論研究、學(xué)生實驗等。

此套系統(tǒng)主要功能包括：
   ■可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求；
   ■可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主控軟件編寫和調(diào)試；
   ■可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生研究和模擬不同風(fēng)機的運行特點；
   ■可通過此系統(tǒng)，讓學(xué)生研究和調(diào)試風(fēng)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(fēng)機主控實驗系統(tǒng)特點：
   ■ *性，滿足目前最主流的兆瓦級變速恒頻風(fēng)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(xué)生學(xué)習(xí)的要求；
   ■ 適應(yīng)性，可滿足不同功率、不同類型的風(fēng)機測試和模擬；

2.4、模擬風(fēng)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(fēng)發(fā)生器的風(fēng)速和風(fēng)向，模擬實際運行的風(fēng)速環(huán)境，其功能如下：
   ■ 內(nèi)部保存多種風(fēng)速曲線，包括微風(fēng)、陣風(fēng)、大風(fēng)、颶風(fēng)等，包含風(fēng)速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風(fēng)況；
   ■ 通過變頻器控制，控制不同風(fēng)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(shù)，并能方便控制；
   ■ 測試系統(tǒng)通過對不同風(fēng)速的控制，來測試不同風(fēng)況下的風(fēng)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(shù)參數(shù)

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

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

3.3、齒輪箱
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(qū)動器供貨，具體按照定貨實際參數(shù)。

3.6、電控柜系統(tǒng)
由調(diào)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(biāo)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(nèi)；底座的設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計過程中采用的具體器件有關(guān)，可以根據(jù)器件及客戶需求最終確定結(jié)構(gòu)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(fēng)速模擬驅(qū)動系統(tǒng)
用來模擬風(fēng)力發(fā)電機中風(fēng)吹風(fēng)輪轉(zhuǎn)動情況，是實驗系統(tǒng)的動力源。其中包括電動機部分和驅(qū)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(zhuǎn)速：1440r/min。
   (2)驅(qū)動器：西門子440變頻器。
      ■ 主要特征：
          a.調(diào)試簡單；
          b.6個可編程，帶隔離的數(shù)字輸入；
          c.2個可編程的模擬輸出；
          d.3個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.的IGBT技術(shù)；
          b.數(shù)字微處理器控制；
          c.高質(zhì)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(zhì)的PID控制器；
          g.集成的制動（斬波）器；
          h.4個跳轉(zhuǎn)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(shù)連鎖。

3.10、風(fēng)速風(fēng)向模擬系統(tǒng)
   （1）風(fēng)速風(fēng)向儀
     ■ 技術(shù)指標(biāo)：
         a.風(fēng)速測量范圍：0-60m/s；
         b.風(fēng)速測量精度：±0.4m/s；
         c.風(fēng)向測量范圍：0-360°；
         d.風(fēng)向測量精度：±2°；
         e.電     壓： DC9V-24V；
         f.傳輸方式：數(shù)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(fēng)發(fā)生器
         額定電壓：380V；
         額定功率：0.85kW；
         流量：210m³/h；
         吹力：220mbar。

3.11、監(jiān)控系統(tǒng)
    ■ 技術(shù)指標(biāo)：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(jié)。
    ■ 功能特點：
                寬溫度設(shè)計，適合低溫下穩(wěn)定運行；
                安全保護，防止風(fēng)力振動帶來的損壞；
                支持Windoews系統(tǒng)的軟件開發(fā)；
                風(fēng)電機組控制；
                參數(shù)顯示和設(shè)置；
                權(quán)限控制；
                故障記錄查詢；
                歷史數(shù)據(jù)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(wù)配置，最多可配置32種不同任務(wù)。
     ■ 高可靠性：保護及通訊不受電磁干擾；風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機上通訊設(shè)備的需求；
     ■出色的環(huán)境適應(yīng)性：寬溫型設(shè)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(fēng)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(shù)據(jù)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(fēng)機的高可靠性要求；
     ■適合風(fēng)電應(yīng)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(fēng)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(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，并快速與CPU建立通信；編程軟件符合IEC61131-3國際標(biāo)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(fù)及備份復(fù)制，使系統(tǒng)維護更加方便、快捷；背板上設(shè)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(biāo)準的編程語言；
       強大的運算功能，支持32位浮點運算；
       支持數(shù)組、指針，方便實現(xiàn)復(fù)雜運算；
       支持軟件仿真、在線調(diào)試及用戶代碼檢查功能；
       集成故障數(shù)據(jù)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(fù)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(diào)用；
       支持編寫自定義塊、函數(shù)和子程序可保存為內(nèi)部庫的形式；
       自定義內(nèi)部庫可以在不同工程中調(diào)用；
       可對風(fēng)機中的關(guān)鍵變量進行采樣跟蹤，如風(fēng)速、槳距角；
       角度、風(fēng)向、發(fā)電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉(zhuǎn)矩；
       等進行實時跟蹤，并保存數(shù)據(jù)。

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

■主要實驗功能如下：
     風(fēng)力發(fā)電機接線形式實驗；
     空載運轉(zhuǎn)實驗；
     并網(wǎng)過程實驗；
     并網(wǎng)連續(xù)運行實驗；
     風(fēng)速模擬實驗；
     轉(zhuǎn)距模擬實驗；
     發(fā)電功率模擬實驗。

■其它相關(guān)發(fā)電性能及測量實驗
     脫網(wǎng)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(xué)習(xí)主控軟件編寫和調(diào)試；
     研究和調(diào)試風(fēng)機核心控制算；
     自主編程應(yīng)用；
     風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場參數(shù)采集的邏輯分析。