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TW-SNY62雙饋風力發電實驗係統

一、產品概述

本實驗係統采用變速恒頻控製的雙饋異步發電機組,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)模擬真實風力發電機的啟動、並網、正常運行和停機過程,具備模擬機組變速調節能力,有功、無功的調節能力;

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―時間數據;

3)FaceView實驗主控軟件執行機組運行狀態流程控製和數據記錄、顯示、係統監控等功能;

4)實現風速和風力機模擬,機組並網控製,機組最大功率運行控製,機組恒速運行,機組限功率運行,機組低電壓穿越,機組脫網控製等控製功能;

5)背靠背變流器可實現直流側電壓的初始狀態進行設定,實現單位功率因數並網,實現風力發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)軟件分析風力發電的數據與運行特性,能夠顯示異常時的故障原因;

7)RS485接口,提供開放式MODBUS規約接入監控係統;

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,可以實現低電壓穿越以及外接電源電壓不穩定時保護實驗;

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。

雙饋實驗係統結構圖

二、係統運行技術參數

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;

環境溫度:-10℃~+50℃;

環境相對濕度: 10~90%(25℃);

大氣壓力範圍:1個標準大氣壓範圍;

室內安裝;

平台必須水平安裝;

設備正常使用年限:≥20年;

環境要求:環境通風良好,不含易燃、腐蝕性氣體;

2.2 實驗平台的基本尺寸:

實驗台:1400×400×400;(長×深×高,mm)

變流器:800×800×2000;

主控櫃:800×800×2000;

注:實驗平台分兩排布置,預計占地麵積 4m×4m

2.3 定製雙饋變流器係統

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,根據高校和研究所客戶要求定製開發,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

模擬風力發電係統的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實現,前級交流輸入可選接入交流/直流電網,根據設定的風速,將相應能量注入到直流母線上,後級交流輸出接交流母線,將輸入的能量注入到配電/微電網。該變流器為定製產品,根據用戶的要求設計,功能特點如下:

機側矢量控製,網側矢量解耦P/Q控製;

電網電壓在-3%~+7%範圍內波動時能正常運行;

並網滿載電流總諧波畸變率5%以下;

過流/過壓/過溫保護,分硬件保護和軟件保護;

具備低電壓穿越功能;

提供直流側外接其他電氣設備的接口;

支持電網不平衡度小於 10%時正常發電運行;

支持較寬的運行速度範圍:700-2000RPM;

5.0 kW背靠背變流器主要指標

項目指標

參數特性

項目指標

參數特性

變流器拓撲結構

雙級背靠背

後級控製方式

穩定直流電壓

額定流功率

5.0kW

後級功率因數

>0.99

額定交流電流

15A

直流母線電壓

600V

額定交流電壓

380V

最大直流電流

22A

額定電網頻率

50Hz

電流總諧波畸變率(THD)

<3%(額定功率)

允許電網頻率

48~50.5Hz

最大效率

95%

前級控製方式

功率控製

待機狀態功耗

<40W

前級功率因數

>0.99

冷卻方式

強迫風冷

防護等級

IP21

標準通訊方式

RS485

2.3 設備主要配置參數

驅動變頻器

容量等級

5.5KW

電壓等級

380V

電機類型

異步/永磁同步電動機

調速範圍

0-2000RPM

控製方式

PG矢量控製,弱磁控製

接口類型

RS485

控製環路

速度閉環,力矩閉環

精度

電壓、電流、轉速、位置、轉矩的信號測量

定製變流器

功率等級

5.5KW

電壓等級

380V

功率拓撲

二電平背靠背

外形尺寸

(寬×深×高,mm)800×600×1600

電動機

額定功率

5.5KW

額定轉速

1500RPM

同步轉速

1800RPM

額定電壓

380V

功率因數

0.9

發電機

雙饋發電機

額定功率

5.0kW

額定電壓

380V

額定頻率

50Hz

額定轉速

1500rpm

轉速範圍

0-2000rpm

絕緣等級

F級

三、雙饋係統低電壓穿越與實驗

3.1 電網電壓跌落的危害

對雙饋風電機組來說:

出現的過電流會損壞電力電子器件;

DC端過電壓,將威脅直流側元器件;

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:

引起電網頻率降低;

引起電網線壓降低;

引發聯鎖效應,導致大麵積電網癱瘓。

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並網點的電壓跌落時,在電壓跌落的範圍內,風電機組能夠不間斷並網運行。

它對係統由較為重要的意義:

風機能夠不脫網持續運行;

能夠對電網進行動態無功功率Q支撐;

有助於有功功率P恢複;

3.3 國內低電壓穿越標準

對於低電壓穿越,要求如下圖所示,方案完全遵循此標準:


低電壓穿越標準

並網點電壓跌至20%額定電壓時,保證不脫網連續運行625ms ;

跌落後2s 內恢複到額定電壓的90%時,不脫網連續運行。

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

有功恢複:故障切除後以至少10%額定功率/秒的功率恢複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,並在變流器中進行相應控製:

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

Chopper:主要考慮單管吸收回路的設計,不同於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、雙饋係統實驗主控軟件

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、持續大風、持續中速風、或四種風速合成特性。主控和風機模擬的參數修改權限向用戶開放,用戶可以自由定製風力機特性,選配接收實際的測風儀數據。主控功能實現機組並網控製,恒速運行,限功率運行,降功率運行,低電壓穿越,機組脫網控製。

FaceView監測以下參量:

風速、風輪轉速;

驅動電機轉子位置/速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩;

發電機轉子位置/速度、電流、電壓、功率、輸出轉矩;

變流器直流電壓;

網側變流器輸出電壓、電流、功率;

電網電壓、電流、功率。


風力發電模擬界麵


曲線觀測界麵


參數設定界麵


低電壓實驗


五、開放雙饋風電變流器係統(說明)

算法類的函數開放,用戶可以按照自己的算法修改、調用,如整流、逆變、電機控製的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):控製板,電源板,信號板,電容板;

2)雙饋變流器櫃電氣原理圖及BOM表(pdf版本);

3)開放控製板的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算法和電機控製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、鎖相環功能、濾波函數等。低電壓穿越算法、整流器SVPWM算法和電機控製SVPWM算法用戶可以修改、調用。

雙饋風電實驗係統現場圖如下:




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)直流母線電壓控製實驗

5)並網過程及連續實驗

6)亞同步速、超同步速運行控製實驗

7)風力發電並網功率因素調節

實驗項目表

編號

名稱

學生人數

類型

1

異步電機空載實驗

每套機組3~5

設計型

2

異步電機負載實驗

每套機組3~5

設計型

3

雙饋感應電機空載實驗

每套機組3~5

設計型

4

雙饋感應電機負載實驗

每套機組3~5

設計型

5

風力發電機啟動並網實驗

每套機組5~8

設計型

6

風力發電機正常停機實驗

每套機組5~8

設計型

7

風力發電機異常停機

每套機組5~8

設計型

8

風力發電機正常運行實驗

每套機組5~8

設計型

9

風力發電機脫網保護實驗

每套機組5~8

設計型