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一、產(chǎn)品概述

本實(shí)驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的雙饋異步發(fā)電機(jī)組，可以完成大功率雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)模擬和運(yùn)行操作訓(xùn)練。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)

1. 模擬真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動、并網(wǎng)、正常運(yùn)行和停機(jī)過程，具備模擬機(jī)組變速調(diào)節(jié)能力，有功、無功的調(diào)節(jié)能力；
2. 風(fēng)速模型不僅可設(shè)定典型幾種風(fēng)速曲線，支持導(dǎo)入實(shí)際測量得到的風(fēng)速―時間數(shù)據(jù)；
3. FaceView實(shí)驗主控軟件執(zhí)行機(jī)組運(yùn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)模擬，機(jī)組并網(wǎng)控制，機(jī)組大功率運(yùn)行控制，機(jī)組恒速運(yùn)行，機(jī)組限功率運(yùn)行，機(jī)組低電壓穿越，機(jī)組脫網(wǎng)控制等控制功能；
5. 背靠背變流器可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障條件下不脫網(wǎng)運(yùn)行，低電壓穿越的功能，支持風(fēng)機(jī)的低電壓穿越實(shí)驗;
6. 軟件分析風(fēng)力發(fā)電的數(shù)據(jù)與運(yùn)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(hù)功能，包括過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過溫保護(hù)、超速保護(hù)、短路保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及外接電源電壓不穩(wěn)定時保護(hù)實(shí)驗；

注：帶醒目的危險標(biāo)識，如：有電危險、運(yùn)行時請勿打開、嚴(yán)謹(jǐn)帶電操作等。

雙饋實(shí)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)

2.1 工作條件

• 輸入電壓：三相四線～380V±10%  50Hz
• 裝置容量：≤5.0kW

• 海拔：0～2000m；
• 環(huán)境溫度：-10℃～＋50℃；
• 環(huán)境相對濕度: 10～90%(25℃)；
• 大氣壓力范圍：1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍；
• 室內(nèi)安裝；
• 平臺必須水平安裝；
• 設(shè)備正常使用年限：≥20年；
• 環(huán)境要求：環(huán)境通風(fēng)良好，不含易燃、腐蝕性氣體；

2.2 實(shí)驗平臺的基本尺寸：

• 實(shí)驗臺：2000×400×600；（長×深×高，mm）
• 變流器：1000×600×1500；
• 主控柜：800×600×1820；

注：實(shí)驗平臺分兩排布置，預(yù)計占地面積 3m×3m

2.2 定制雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)

風(fēng)電變流器包括雙饋風(fēng)機(jī)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(chǎn)品可靠、開放性強(qiáng)、保護(hù)嚴(yán)格等特點(diǎn)。

雙饋風(fēng)電機(jī)組圖及變流器內(nèi)部圖

模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實(shí)現(xiàn)，前級交流輸入可選接入交流/直流電網(wǎng)，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)速，將相應(yīng)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(wǎng)。該變流器為定制產(chǎn)品，根據(jù)用戶的要求設(shè)計，功能特點(diǎn)如下：

• 機(jī)側(cè)矢量控制，網(wǎng)側(cè)矢量解耦P/Q控制；
• 電網(wǎng)電壓在-3%～+7%范圍內(nèi)波動時能正常運(yùn)行；
• 并網(wǎng)滿載電流總諧波畸變率5%以下；
• 過流/過壓/過溫保護(hù)，分硬件保護(hù)和軟件保護(hù)；
• 具備低電壓穿越功能；
• 提供直流側(cè)外接其他電氣設(shè)備的接口；
• 支持電網(wǎng)不平衡度小于 10%時正常發(fā)電運(yùn)行；
• 支持較寬的運(yùn)行速度范圍：700-2000RPM；

   10kW背靠背變流器主要指標(biāo)

2.3 設(shè)備主要配置參數(shù)

三、雙饋系統(tǒng)低電壓穿越與實(shí)驗

3.1 電網(wǎng)電壓跌落的危害

對雙饋風(fēng)電機(jī)組來說：

• 出現(xiàn)的過電流會損壞電力電子器件；
• DC端過電壓，將威脅直流側(cè)元器件；
• 附加的轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力過大則會損壞風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件；

對電網(wǎng)來說：

• 引起電網(wǎng)頻率降低；
• 引起電網(wǎng)線壓降低；
• 引發(fā)聯(lián)鎖效應(yīng)，導(dǎo)致大面積電網(wǎng)癱瘓。

3.2 低電壓穿越LVRT定義及意義

當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

它對系統(tǒng)由較為重要的意義：

• 風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行；
• 能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行動態(tài)無功功率Q支撐；
• 有助于有功功率P恢復(fù)；

3.3 國內(nèi)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

對于低電壓穿越，要求如下圖所示，方案*遵循此標(biāo)準(zhǔn)：

低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

• 并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時，保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms ；
• 跌落后2s 內(nèi)恢復(fù)到額定電壓的90%時，不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。
• 無功支撐：響應(yīng)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）
• 有功恢復(fù)：故障切除后以至少10%額定功率/秒的功率恢復(fù)到故障跌落前的功率；

3.4 低電壓穿越LVRT實(shí)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(jìn)行相應(yīng)控制：

• Crowbar：其響應(yīng)時間短，能夠保護(hù)變流器IGBT、吸收和衰減畸變電流和諧波電流
• Chopper：主要考慮單管吸收回路的設(shè)計，不同于Crowbar的投切工作方式，Chopper裝置在運(yùn)行過程中會進(jìn)行100Hz左右的斬波動作，大電流關(guān)斷時的尖峰很容易導(dǎo)致IGBT過壓實(shí)效。因此設(shè)計了RCD吸收回路和低感功率回路。

雙饋機(jī)組Crowbar

雙饋機(jī)組Chopper

其軟件部分邏輯如下：

雙饋機(jī)組LVRT軟件邏輯

低穿實(shí)驗波形1

低穿實(shí)驗波形2

低穿實(shí)驗波形3

四、雙饋系統(tǒng)實(shí)驗主控軟件

FaceView實(shí)驗主控軟件具有風(fēng)速特性模擬和風(fēng)機(jī)主控功能，能模擬幾種典型風(fēng)速如：微風(fēng)、陣風(fēng)、持續(xù)大風(fēng)、持續(xù)中速風(fēng)、或四種風(fēng)速合成特性。主控和風(fēng)機(jī)模擬的參數(shù)修改權(quán)限向用戶開放，用戶可以自由定制風(fēng)力機(jī)特性，選配接收實(shí)際的測風(fēng)儀數(shù)據(jù)。主控功能實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)控制，恒速運(yùn)行，限功率運(yùn)行，降功率運(yùn)行，低電壓穿越，機(jī)組脫網(wǎng)控制。

FaceView監(jiān)測以下參量：

• 風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；
• 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉(zhuǎn)矩；
• 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置／速度、電流、電壓、功率、輸出轉(zhuǎn)矩；
• 變流器直流電壓；
• 網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓、電流、功率；
• 電網(wǎng)電壓、電流、功率。

風(fēng)力發(fā)電模擬界面

曲線觀測界面

參數(shù)設(shè)定界面

低電壓實(shí)驗

五、開放雙饋風(fēng)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(diào)用，如整流、逆變、電機(jī)控制的SVPWM和低電壓穿越算法。

開放內(nèi)容如下：

1. 雙饋?zhàn)兞髌魉须娐钒逵布韴D及BOM表(pdf版本)：控制板，電源板，信號板，電容板；
2. 雙饋?zhàn)兞髌鞴耠姎庠韴D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?zhàn)兞髌魍ㄓ崊f(xié)議(RS485)（免費(fèi)）；
5. 雙饋?zhàn)兞髌魇褂檬謨?免費(fèi))；
6. 雙饋?zhàn)兞髌骶幊淌謨詐df版；

雙饋?zhàn)兞髌鬈浖碗妷捍┰剿惴ā⒄髌鱏VPWM算法和電機(jī)控制SVPWM算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驅(qū)動功能、硬件配置功能、通訊功能、保護(hù)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(jī)控制SVPWM算法用戶可以修改、調(diào)用。

雙饋風(fēng)電實(shí)驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖如下：

六、可開設(shè)實(shí)驗及科研教學(xué)內(nèi)容

1. 風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗
2. 低電壓穿越實(shí)驗
3. 低電壓穿越算法研究
4. 直流母線電壓控制實(shí)驗
5. 并網(wǎng)過程及連續(xù)實(shí)驗
6. 亞同步速、超同步速運(yùn)行控制實(shí)驗
7. 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)功率因素調(diào)節(jié)

 實(shí)驗項目表