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高教实验产品系列
THNRSK-2型 双馈异步风力发电实验系统

产品类别:风能技术及应用实验系列

产品简介

一、产品概述

       双馈异步风力发电实验系统由双馈异步发电机组、控制屏、变流器柜、大功率三相自耦调压器、监控软件六部分组成。

       本系统采用直流电动机来模拟风力机,通过风电上位机软件,监控PLC来控制直流调速器,通过改变直流电动机电枢绕组端电压来模拟自然状态下风速的变化,实现输出功率(转矩)的控制,完成风力机的模拟控制。

                   

图1  双馈异步风力发电实验系统参考图片(结构可以根据用户要求改动)

       工业PC采用力控组态软件经PLC可编程控制器通过RS-485/USS协议与调速器通信,调速器将机组转速信号、电枢电流、电压信号等信号上传,监控软件根据调速器上传的信号以及虚拟风速信号,通过数字化的典型风力机特性曲线,计算出风力机的输出功率或转矩,并将其作为直流电动机的控制指令通过RS485下置作为调速器的给定端加以执行,由数字直流调速器驱动直流电动机。其中系统监控管理主要是对系统各智能控制装置的数据采集与监视控制,实现风电SCADA。

       发电机采用双馈异步发电机,变流器控制部分采用DSP处理器;功率部分采用双向背靠背PWM变流器模块。电网则采用9kVA调压器来模拟。

二、技术方案

       在风力发电技术中,大型变速恒频风力发电技术已经成为其主要发展方向之一。其中,交流励磁双馈电机发电是一种比较优化的控制方案。它是通过在双馈发电机的转子侧施加三相交流电源进行励磁,调节励磁电流的幅值、频率和相位,实现定子侧输出电量的控制。

图2  技术方案参考图片

       双馈异步发电机在结构上类似绕线式异步感应电机,定子与一般的交流电机一样也有三相分布式绕组;转子与一般电机不同,它也有三相分布式绕组。运行时定子侧直接接入工频的三相电网,转子侧通过变频器接入所需的低频电流。因为定子与转子侧都有能量的流动,所以称为双馈电机。也可以称为交流励磁电机,因为转子是通过变频器接入的低频电流励磁的。

       根据变速恒频双馈风力发电系统对交流励磁电源的要求,针对目前适合用作交流励磁电源的变流器进行详细深入的比较分析,认为在目前的电力电子技术条件下,两电平电压型双PWM变流器是可用作变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源最具优势的一种变流器。

       两电平电压型双PWM变流器是由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变流器通过直流母线连接而成,如图3所示,其英文名称为Back-to-Back PWM Converter。由于在变速恒频交流励磁双馈风力发电系统的运行过程中,两个PWM变流器的工作状态经常变换,通常不再以它们工作于整流或逆变的状态来区分它们,而是按照它们的位置分别称之为网侧PWM变流器和转子侧即机侧PWM变流器。

图3  两电平电压型双PWM变流器拓扑结构框图

       在具体的运行控制过程中,这两个PWM变流器各司其职。其中,网侧变流器的任务主要有两个,一是保证其良好的输入特性,即输入电流的波形接近正弦,谐波含量少,功率因数符合要求,理论上网侧PWM变流器可获得任意可调的功率因数,这就为整个系统的功率因数的控制提供了另一个途径;二是保证直流母线电压的稳定,直流母线电压的稳定是两个PWM变流器正常工作的前提,是通过对输入电流的有效控制来实现的。

       转子侧变流器的作用主要有两个方面,一是给DFIG的转子提供励磁分量的电流,从而可以调节DFIG定子侧所发出的无功功率;二是通过控制DFIG转子转矩分量的电流控制DFIG的转速或控制DFIG定子侧所发出的有功功率,从而使DFIG运行在风力机的最佳功率曲线上,实现最大风能追踪(捕获)运行。

图4-  双馈电机的工作示意图

       若将双馈电机的定子接入电网上,则定子侧的电流频率可以认为是不变的,由此可以通过检测转子的转速来确定转子绕组通过变频器提供励磁电流的频率,由电机原理可以得出以下关系式:

                           (1)

(其中当,电机处于亚同步时取正号,,电机处于超同步时取负号)。其中:为电网频率,为转子励磁电流频率,为电机极对数,为转差率。

由式(1)可以看出,当发电机转速变化时,若控制转子电流频率相应变化,可使定子电流频率恒定不变且与电网频率保持一致,从而实现了转速变化时输出电能的“恒频”控制。

三、实验平台的技术性能﹑指标及配备

       1.  技术性能

       1.1输入电压:三相四线~380V±10%  50Hz

       1.2装置容量:<15.0kVA

       2.  装置构成及各主要元件性能指标

       包括双馈异步风力发电机组、风力机控制柜、双馈变流器柜、大功率三相自耦调压器、监控软件六个部分。

       2.1双馈异步风力发电机组

       发电机组由直流电动机、双馈异步风力发电机、转速传感器、机组固定底盘及配套件等构成。

       2.1.1直流电动机

       Ø  额定电枢电压:DC440V

       Ø  额定功率:4kW

       Ø  额定转速:1500r/min

 

       2.1.2直流调速器

       采用功能强大的西门子6RA70型数字四象限直流调速器作为原动机的驱动装置。在风力发电实训中,为原动机提供电源。额定参数如下:

       Ø  最大输出功率:6.3kW

       Ø  额定电枢电流:15A

       Ø  额定电枢电压:420V

       Ø  额定励磁电流:3A

       Ø  额定励磁电压:325V

       Ø  通讯口:RS485/232,支持 USS通讯协议

       2.1.3双馈异步发电机

       Ø  额定功率:3kW

       Ø  额定定子电压:AC380V(线电压)

       Ø  转子开路电压:AC600V

       Ø  同步转速:1500r/min

       Ø  转速率调节范围:±25%

       2.1.4机组固定底座及配套件

       参考图5,机组底座采用整体翻砂件,表面平整度高,直流电动机与双馈发电机采用橡胶连轴器软连接,为保护学生安全,配有防护罩。底座装设带减震功能的支撑脚,为方便机组移动装设方向轮1只、定向轮两只。

图5  机组参考图片

       2.2仿真器:

       适配TMS320F2812。

       2.3模拟表头

       采用国标6L2系列表头,含原动机电枢电压表、原动机电枢电流表、系统进线电压表,配三相线电压切换显示开关。

       2.4双馈变流器柜

       变流器柜含双馈变流器主回路和控制系统。变流器柜的主回路及控制回路构成了双馈变流器,双馈变流器主要由机侧控制器及网侧控制器两部分组成。

       机侧控制器的作用主要有两个方面,一是给双馈发电机的转子提供励磁分量的电流,从而可以调节双馈发电机的定子侧所发出的无功功率;二是通过控制双馈发电机转子转矩分量的电流控制发电机的转速或控制发电机定子侧所发出的有功功率,从而使发电机运行在风力机的最佳功率曲线上,实现最大风能追踪(捕获)运行。机侧控制器面板安装有两个信号指示灯,16键PVC软键盘,240*128点兰色液晶屏及9个波形测试端子。信号指示灯可对控制器工作、保护状态分别指示;键盘可完成机侧控制器启动/停止设置,最大功率启动/停止跟踪设置,有功/无功给定,手动并网/离网;液晶屏可显示转速反馈值,有功/无功反馈值;波形测试端子可通过示波器观测发电机机转子、定子相电流波形,可观测发电机定子相电压、电网相电压波形。

参考图片

       Ø  滤波形式:L

       Ø  控制芯片:TMS320F2812,留有JTAG口      

       Ø  采集信号:定子三相电压,转子电流、定子电压、电流

       Ø  冷却形式:强迫风冷

       Ø  开关频率:保证5k开关频率下温升不超相关国家和行业标准。

       Ø  其他:具备并网开关、预充电、隔离开关、熔丝等必要装置,并这些装置具备有源节点或者干接点信号反馈功能。

       网侧控制器面板安装有三个信号指示灯,16键PVC软键盘,240*128点兰色液晶屏及7个波形测试端子。信号指示灯可对控制器工作、故障、卸荷状态分别给于指示,通过键盘可完成并网启动/停止设置。液晶屏可完成三相电流,电压有效值显示,直流母线电压显示;面板观测孔可观测电网相电流波形、相电压波形及直流母线电压波形。

参考图片

       Ø  滤波形式:LCL或者LC,可选

       Ø  额定电压:380V

       Ø  控制芯片:TMS320F2812,留有JTAG口

       Ø  采集信号:网侧三相电流,网侧三相电压,定子三相电压,直流母线电压,直流母线电流

       Ø  冷却形式:强迫风冷

       Ø  开关频率:保证5k开关频率下温升不超相关国家和行业标准。

       Ø  其他:具备并网开关、预充电、隔离开关、熔丝等必要装置,并这些装置具备有源节点或者干接点信号反馈功能。

       2.5智能电量监测仪

       Ø  测量三相电流、三相相/线电压、有功功率、无功功率、功率因数等电量

       Ø  2-31次谐波测量

       Ø  四象限电能计量:±有功电能(kWh),±无功电能(kVarh)

       Ø  标准PT、CT输入,适用于各种电压等级及接线方式

       Ø  RS-485通讯接口,Modbus RTU通讯规约

       2.6大功率三相自耦调压器

       额定容量:9kVA,原边额定输入三相AC380V,副边额定输出AC 0~430V可调。

       3.  监控软件

图6  机侧部分监控软件

图7  网侧部分监控软件

       四、实验项目

1.   双馈异步风力发电系统接线实验

2.   风力机特性离线仿真实验

3.   双馈异步发电机空载特性实验   

4.   空载并网实验

5.   并网及功率输送实验

6.   最大功率跟踪实验

7.   有功、无功解耦控制实验

                   8.   电能质量分析实验

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