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ZG-XNY03双馈风力发电系统实训设备

一、产品概述

ZG-XNY03双馈风力发电系统实训设备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)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

三、系统运行技术参数

3.1 工作条件

输入电压：三相四线～380V±10%  50Hz

装置容量：≤3.0kW

海拔：0～2000m；

环境温度：-10℃～＋50℃；

环境相对湿度: 10～90%(25℃)；

大气压力范围：1个标准大气压范围；

室内安装；

平台必须水平安装；

设备正常使用年限：≥20年；

环境要求：环境通风良好，不含易燃、腐蚀性气体；

3.2 实验平台的基本尺寸：

实验台：2000×400×600；（长×深×高，mm）

变流器：1000×600×1500；

主控柜：800×600×1820；

注：实验平台分两排布置，预计占地面积 3m×3m

3.3 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：

机侧矢量控制，网侧矢量解耦P/Q控制；

电网电压在-3%～+7%范围内波动时能正常运行；

并网满载电流总谐波畸变率5%以下；

过流/过压/过温保护，分硬件保护和软件保护；

具备低电压穿越功能；

提供直流侧外接其他电气设备的接口；

支持电网不平衡度小于 10%时正常发电运行；

支持较宽的运行速度范围：700-2000RPM；3.0 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	3.0kW	后级功率因数	>0.99
额定交流电流	9.0A	直流母线电压	600V
额定交流电压	380V	最大直流电流	11A
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

3.4 设备主要配置参数

驱动变频器	容量等级	3.0KW
	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	3.0kW
	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	3.0kW
	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	3.0kW
	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

四、双馈系统低电压穿越与实验

4.1 电网电压跌落的危害

对双馈风电机组来说：

出现的过电流会损坏电力电子器件；

DC端过电压，将威胁直流侧元器件；

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：

引起电网频率降低；

引起电网线压降低；

引发联锁效应，导致大面积电网瘫痪。

4.2 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：

风机能够不脱网持续运行；

能够对电网进行动态无功功率Q支撑；

有助于有功功率P恢复；

4.3 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：

并网点电压跌至20%额定电压时，保证不脱网连续运行625ms ；

跌落后2s 内恢复到额定电压的90%时，不脱网连续运行。

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）

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；

4.4 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：

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

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。

五、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：

风速、风轮转速；

驱动电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；

发电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；

变流器直流电压；

网侧变流器输出电压、电流、功率；

电网电压、电流、功率。

基于物联网实验室安全用电智能控制系统

1、特点

当智能控制系统检测到有漏电或触电情景出现时，智能控制系统在0.1秒断开连接，保证人身和财产安全；智能控制系统本身有故障指示灯，用户可根据智能控制系统故障指示灯显示判断出当前故障状态，便于处理；智能控制系统有挂锁功能，需要检修时，在挂锁位置上锁，★防止他人上电，检修更安全。可以采集现场输出型装置数据，通过多种物联网通信方式上传至云端，实现本地设备的远程监控。

2、功能

基于物联网实验室安全用电智能控制系统，可进行用电数据采集、统计、存储、分析、查询等。运用前端数据可视化技术将实时的用电数据展示在平台上，并以图表的形式提供可视化的用电信息查询功能；运用数据库技术实时监测用电设备和线路运行状况，对异常状况及时告警，从而预防电气火灾；运用用电系统故障定位技术及时发现并精准定位用电故障点，自动生成故障报告，协助用户第一时间修复用电系统故障；运用电能质量监测技术实时分析和评估电能质量问题，并提供定制化的治理方案，协助用户获得优质电能；运用大数据技术和行业数学模型统计、分析并挖掘基础的用电数据，基于数据发掘节能潜力，从而提供能效优化方案。满足用电管理系统可视、安全、可靠、优质和经济的智慧用电模块需求。

3、基于物联网实验室安全用电智能控制系统由执行装置与网机组成，技术参数分别为：

（一）执行装置技术参数

（1）极数：3P+N

（2）脱扣特性：C（5-10）In D（10-14）In

（3）额定电流：In 6A、10A、16A、20A、25A、32A、40A、50A、63A

（4）额定电压：Ue AC 230V/400V

（5）额定频率f：50Hz

（6）额定短路分断能力：Icu10kA

（7）壳架等级额定电流：Inm63A

（8）缺相保护：设备防烧毁保护模式

（9）漏电保护：元器件损坏保护模式

（10）过载保护：电流过大防烧毁模式

（11）短路保护：碰线防烧毁模式

（12）挂锁保护：便于维修安全

（13）过温保护：可监测线路温度

（14）过欠压保护：防止造成人身事故和机械设备损坏

（15）漏电或触电时0.1秒断开

（16）故障指示灯，便于查看工作状态

★（17）挂锁功能，检修更方便

（二）网机技术参数

（1）内置STM32F103C8T6主控芯片

（2）外置8M无源晶振

（3）采用SP3485作为485通信芯片 

（4）485防浪涌保护

（5）标准RS485接口，可直接串口设备

（6）智能型数据终端，便捷实现数据传输功能

★（7）提供强大的中心管理软件，方便设备管理

★（8）提供便捷的软件升级和固件更新服务

★（9）提供数据库数据备份，方便查看历史数据

（10）尺寸：89mm*67.5mm*20.5mm

（11）重量：70g

（12）电源：AC220V

（13）功耗：1.5W

（14）工作温度：-25℃ - +70℃

（15）工作湿度：95%

（16）WiFi版最大下行传输速率：64kbps

（17）WiFi版最大上行传输速率：32kbps

六、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：

七、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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