KCXNY-SK05T型双馈风力发电实验系统
一、产品概述
本实验系统采用变速恒频控制的双馈异步发电机组，可以完成大功率双馈风电机组的风力机模拟和运行操作训练。
二、产品特点
1) 风光互补发电实训系统模拟真实风力发电机的启动、并网、正常运行和停机过程，具备模拟机组变速调节能力，有功、无功的调节能力；
2) 风速模型不仅可设定典型几种风速曲线，支持导入实际测量得到的风速―时间数据；
3) FaceView实验主控软件执行机组运行状态流程控制和数据记录、显示、系统监控等功能；
4) 实现风速和风力机模拟，机组并网控制，机组最大功率运行控制，机组恒速运行，机组限功率运行，机组低电压穿越，机组脱网控制等控制功能；
5) 背靠背变流器可实现直流侧电压的初始状态进行设定，实现单位功率因数并网，实现风力发电机在故障条件下不脱网运行，低电压穿越的功能，支持风机的低电压穿越实验;
6) 软件分析风力发电的数据与运行特性，能够显示异常时的故障原因；
7) RS485接口，提供开放式MODBUS规约接入监控系统；
8) 完善的保护功能，包括过电压保护、过电流保护、过温保护、超速保护、短路保护，可以实现低电压穿越以及外接电源电压不稳定时保护实验；
注：带醒目的危险标识，如：有电危险、运行时请勿打开、严谨带电操作等。
双馈实验系统结构图
二、系统运行技术参数
2.1 工作条件
（1）输入电压：三相四线～380V±10% 50Hz
（2）装置容量：≤5.0kW
（3）海拔：0～2000m；
（4）环境温度：-10℃～＋50℃；
（5）环境相对湿度: 10～90%(25℃)；
（6）大气压力范围：1个标准大气压范围；
（7）室内安装；
（8）平台必须水平安装；
（9）设备正常使用年限：≥20年；
（10）环境要求：环境通风良好，不含易燃、腐蚀性气体；
2.2 实验平台的基本尺寸：
（1）实验台：1400×400×400；（长×深×高，mm）
（2）变流器：800×800×2000；
（3）主控柜：800×800×2000；
注：实验平台分两排布置，预计占地面积 4m×4m
2.2 定制双馈变流器系统
风电变流器包括双馈风机变流器、全功率变流器和PWM整流器，均为我司自主研发，根据高校和研究所客户要求定制开发，具有功能完善、产品可靠、开放性强、保护严格等特点。
双馈风电机组图及变流器内部图
模拟风力发电系统的变流器由AC-DC-AC PWM变换器来实现，前级交流输入可选接入交流/直流电网，根据设定的风速，将相应能量注入到直流母线上，后级交流输出接交流母线，将输入的能量注入到配电/微电网。该变流器为定制产品，根据用户的要求设计，功能特点如下：
2 机侧矢量控制，网侧矢量解耦P/Q控制；
2 电网电压在-3%～+7%范围内波动时能正常运行；
2 并网满载电流总谐波畸变率5%以下；
2 过流/过压/过温保护，分硬件保护和软件保护；
2 具备低电压穿越功能；
2 提供直流侧外接其他电气设备的接口；
2 支持电网不平衡度小于 10%时正常发电运行；
2 支持较宽的运行速度范围：700-2000RPM；
5.0 kW背靠背变流器主要指标
|
项目指标 |
参数特性 |
项目指标 |
参数特性 |
|
变流器拓扑结构 |
双级背靠背 |
后级控制方式 |
稳定直流电压 |
|
额定流功率 |
5.0kW |
后级功率因数 |
>0.99 |
|
额定交流电流 |
15A |
直流母线电压 |
600V |
|
额定交流电压 |
380V |
最大直流电流 |
22A |
|
额定电网频率 |
50Hz |
电流总谐波畸变率（THD） |
<3%（额定功率） |
|
允许电网频率 |
48～50.5Hz |
最大效率 |
95% |
|
前级控制方式 |
功率控制 |
待机状态功耗 |
<40W |
|
前级功率因数 |
>0.99 |
冷却方式 |
强迫风冷 |
|
防护等级 |
IP21 |
标准通讯方式 |
RS485 |
2.3 设备主要配置参数
|
驱动变频器 |
容量等级 |
5.5KW |
|
电压等级 |
380V |
|
电机类型 |
异步/永磁同步电动机 |
|
调速范围 |
0-2000RPM |
|
控制方式 |
有PG矢量控制，弱磁控制 |
|
接口类型 |
RS485 |
|
控制环路 |
速度闭环，力矩闭环 |
|
精度 |
电压、电流、转速、位置、转矩的信号测量 |
|
定制变流器 |
功率等级 |
5.5KW |
|
电压等级 |
380V |
|
功率拓扑 |
二电平背靠背 |
|
外形尺寸 |
（宽×深×高，mm）800×600×1600 |
|
电动机 |
额定功率 |
5.5KW |
|
额定转速 |
1500RPM |
|
同步转速 |
1800RPM |
|
额定电压 |
380V |
|
功率因数 |
0.9 |
|
发电机 |
类 型 |
双馈发电机 |
|
额定功率 |
5.0kW |
|
额定电压 |
380V |
|
额定频率 |
50Hz |
|
额定转速 |
1500rpm |
|
转速范围 |
0-2000rpm |
|
绝缘等级 |
F级 |
三、双馈系统低电压穿越与实验
3.1 电网电压跌落的危害
对双馈风电机组来说：
2 出现的过电流会损坏电力电子器件；
2 DC端过电压，将威胁直流侧元器件；
2 附加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件；
对电网来说：
2 引起电网频率降低；
2 引起电网线压降低；
2 引发联锁效应，导致大面积电网瘫痪。
3.2 低电压穿越LVRT定义及意义
当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。
它对系统由较为重要的意义：
2 风机能够不脱网持续运行；
2 能够对电网进行动态无功功率Q支撑；
2 有助于有功功率P恢复；
3.3 国内低电压穿越标准
对于低电压穿越，要求如下图所示，方案完全遵循此标准：
低电压穿越标准
2 并网点电压跌至20%额定电压时，保证不脱网连续运行625ms ；
2 跌落后2s 内恢复到额定电压的90%时，不脱网连续运行。
2 无功支撑：响应时间不大于75ms，持续时间不少于550ms ；无功电流满足IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）
2 有功恢复：故障切除后以至少10%额定功率/秒的功率恢复到故障跌落前的功率；
3.4 低电压穿越LVRT实验方案介绍
主要为在变流器上添加Crowbar和Chopper电路，并在变流器中进行相应控制：
2 Crowbar：其响应时间短，能够保护变流器IGBT、吸收和衰减畸变电流和谐波电流
2 Chopper：主要考虑单管吸收回路的设计，不同于Crowbar的投切工作方式，Chopper装置在运行过程中会进行100Hz左右的斩波动作，大电流关断时的尖峰很容易导致IGBT过压实效。因此设计了RCD吸收回路和低感功率回路。
双馈机组Crowbar
双馈机组Chopper
其软件部分逻辑如下：
双馈机组LVRT软件逻辑
低穿实验波形1
低穿实验波形2
低穿实验波形3
四、双馈系统实验主控软件
FaceView实验主控软件具有风速特性模拟和风机主控功能，能模拟几种典型风速如：微风、阵风、持续大风、持续中速风、或四种风速合成特性。主控和风机模拟的参数修改权限向用户开放，用户可以自由定制风力机特性，选配接收实际的测风仪数据。主控功能实现机组并网控制，恒速运行，限功率运行，降功率运行，低电压穿越，机组脱网控制。
FaceView监测以下参量：
2 风速、风轮转速；
2 驱动电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
2 发电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
2 变流器直流电压；
2 网侧变流器输出电压、电流、功率；
2 电网电压、电流、功率。
风力发电模拟界面
曲线观测界面
参数设定界面
低电压实验
五、开放双馈风电变流器系统（说明）
算法类的函数开放，用户可以按照自己的算法修改、调用，如整流、逆变、电机控制的SVPWM和低电压穿越算法。
开放内容如下：
1) 双馈变流器所有电路板硬件原理图及BOM表(pdf版本)：控制板，电源板，信号板，电容板；
2) 双馈变流器柜电气原理图及BOM表(pdf版本)；
3) 开放控制板的debug接口，客户可以烧写自己的程序；
4) 双馈变流器通讯协议(RS485)（免费）；
5) 双馈变流器使用手册(免费)；
6) 双馈变流器编程手册pdf版；
双馈变流器软件低电压穿越算法、整流器SVPWM算法和电机控制SVPWM算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驱动功能、硬件配置功能、通讯功能、保护功能、编码器功能、采样功能、锁相环功能、滤波函数等。低电压穿越算法、整流器SVPWM算法和电机控制SVPWM算法用户可以修改、调用。
双馈风电实验系统现场图如下：
六、可开设实验及科研教学内容
1) 风力机模拟实验
2) 低电压穿越实验
3) 低电压穿越算法研究
4) 直流母线电压控制实验
5) 并网过程及连续实验
6) 亚同步速、超同步速运行控制实验
7) 风力发电并网功率因素调节
实验项目表
|
编号 |
名称 |
学生人数 |
类型 |
|
1 |
异步电机空载实验 |
每套机组3~5人 |
设计型 |
|
2 |
异步电机负载实验 |
每套机组3~5人 |
设计型 |
|
3 |
双馈感应电机空载实验 |
每套机组3~5人 |
设计型 |
|
4 |
双馈感应电机负载实验 |
每套机组3~5人 |
设计型 |
|
5 |
风力发电机启动并网实验 |
每套机组5~8人 |
设计型 |
|
6 |
风力发电机正常停机实验 |
每套机组5~8人 |
设计型 |
|
7 |
风力发电机异常停机 |
每套机组5~8人 |
设计型 |
|
8 |
风力发电机正常运行实验 |
每套机组5~8人 |
设计型 |
|
9 |
风力发电机脱网保护实验 |
每套机组5~8人 |
设计型 |
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