隨著能源危機日益臨近，新能源已經(jīng)成為今后世界上的主要能源之一。其中太陽能已經(jīng)逐漸步入我們尋常的生活，而風力發(fā)電偶爾可以看到或聽到，風光電互補發(fā)電系統(tǒng)是利用風能和太陽能資源的互補性，具有較高的性價的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)，有著很好的應用前景。太陽能實驗室是研究太陽能利用的實驗場所，其配有相應太陽能檢測儀器儀表及試驗裝置，可作為太陽能的光、熱、電利用示范性展示，以此為基地，開展太陽能利用的科學研究與開發(fā)工作，同時也可作為太陽能產(chǎn)品的檢測開發(fā)中心。新能源教學設備正是利用太陽能發(fā)電的原理，結合教學的特點，研發(fā)的新的新能源教學設備，太陽能教學實訓臺廣泛應用于職業(yè)高中、大學、研究生、企業(yè)技工培訓以太陽能離網(wǎng)發(fā)電和太陽能并網(wǎng)發(fā)電為主課題的研究和教學培訓。新能源教學設備是面向高等院校、職業(yè)技術學校本科生、研究生深刻理解太陽能光伏發(fā)電原理的新能源教學設備實驗教學平臺。

JG-FN02型 大型雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)

1.大型雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

1.1整體方案
（1）動力控制系統(tǒng), 用來模擬自然風通過葉槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩輸入到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩，為系統(tǒng)發(fā)電提供原動力。它由電動機、調(diào)速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成。

（2）變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng), 控制雙向可控逆變器使發(fā)電機變速恒頻運行。它由雙饋風力發(fā)電機, 雙向可控逆變器和控制軟件系統(tǒng)等構成。

（3）風力發(fā)電的主控系統(tǒng), 對整個風力發(fā)電系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和安全控制。主要包括監(jiān)控主機和監(jiān)控軟件、主控系統(tǒng)、多功能測控儀表、模擬風系統(tǒng)、風力發(fā)電安全系統(tǒng)及各類測量儀器儀表等。

風機實驗系統(tǒng)包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發(fā)電機、雙向可控逆變控制器、備用電源、風速模擬等，用于模擬實際風機運行狀態(tài)，測試相關硬件和軟件系統(tǒng)，分析風機離、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制算法。

風機實驗系統(tǒng)電控部分包含主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、逆變并網(wǎng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

主控系統(tǒng)用于連接風速風向傳感器、震動傳感器、位置傳感器、測量、安全鏈、監(jiān)控系統(tǒng)等，控制風速方向、偏航、變槳等信息。

變槳系統(tǒng)主要是用于控制三個槳葉的獨立轉(zhuǎn)動，模擬風機葉槳根據(jù)風速及風向變化情況完成變槳控制算法，實現(xiàn)變槳控制。

測試系統(tǒng)主要控制風速模擬系統(tǒng)，用于模擬自然風速風向，來測試風力發(fā)電機在不同風速風向情況下的運行狀態(tài)；

離、并網(wǎng)控制主要完成風力資源的離、并網(wǎng)利用，分析系統(tǒng)運行的各種工況。

1.2大型風力發(fā)電模擬實驗系統(tǒng)選型
1.2.1系統(tǒng)整體結構

在實驗室環(huán)境下研究風力發(fā)電系統(tǒng), 無法得到現(xiàn)場的風能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風系統(tǒng)實現(xiàn)風力發(fā)電機的機械和電氣輸出特性；風力發(fā)電實驗系統(tǒng)構成圖，如圖6

1.2.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含

1.2.3主控實驗系統(tǒng)

主控實驗系統(tǒng)包括主控控制系統(tǒng)以及模擬風發(fā)生系統(tǒng)，風機主控系統(tǒng)如圖8。

主控系統(tǒng)是風力發(fā)電機控制的核心，在滿足風力發(fā)電機安全運行的前提下，盡可能的獲取大功率。

主控系統(tǒng)用于模擬實際 1.5～3 MW雙饋型風機的主控系統(tǒng)，主要用于模擬實際風機的主控系統(tǒng)，采集變漿和偏航的IO 點，實現(xiàn)整機控制。HMI用于顯示和控制PLC 系統(tǒng)。

風力發(fā)電機主控系統(tǒng)采用主控PLC 與HMI，與實際風機控制系統(tǒng)*，滿足風機控制要求。

風力發(fā)電機整機模擬系統(tǒng)包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、風速風向發(fā)生儀、監(jiān)控系統(tǒng)等，用于模擬風機內(nèi)部各種控制信號。模擬測試系統(tǒng)與實際控制系統(tǒng)連接，來模擬風機運行的實際狀況。風力發(fā)電機內(nèi)部模擬控制信號可通過PLC編程控制，用戶也可在現(xiàn)有硬件基礎上自行開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)對各種自然風的模擬，完成對風力發(fā)電機控制算法的研究。


通過風力發(fā)電機控制系統(tǒng)與風力發(fā)電機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC編程，實現(xiàn)對不同類型風力發(fā)電機的模擬以及控制仿真。可用于學術理論研究、學生實驗等。
此套系統(tǒng)主要功能包括：
■可通過此系統(tǒng)，讓學生學習主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求；
■可通過此系統(tǒng)，讓學生學習主控軟件編寫和調(diào)試；
■可通過此系統(tǒng)，讓學生研究和模擬不同風機的運行特點；
■可通過此系統(tǒng)，讓學生研究和調(diào)試風機核心控制算法；
■可通過此系統(tǒng)，測試完整的主控系統(tǒng)，實現(xiàn)主控系統(tǒng)電氣、軟件等測試
風機主控實驗系統(tǒng)特點：
■ *性，滿足目前主流的兆瓦級變速恒頻風機控制系統(tǒng)的要求；
■ 開放性，無論是PLC 還是計算機均可自主編程，滿足學生學習的要求；
■ 適應性，可滿足不同功率、不同類型的風機測試和模擬；
1.2.4模擬風發(fā)生系統(tǒng)
本實驗系統(tǒng)包括一套測試系統(tǒng)，由PLC、變頻器、工控機等組成，主要用于控制模擬風發(fā)生器的風速和風向，模擬實際運行的風速環(huán)境，其功能如下：
■ 內(nèi)部保存多種風速曲線，包括微風、陣風、大風、颶風等，包含風速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風況；
■ 通過變頻器控制，控制不同風速；
■顯示屏可以顯示主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的參數(shù)，并能方便控制；
■ 測試系統(tǒng)通過對不同風速的控制，來測試不同風況下的風力發(fā)電機運行狀態(tài)。
1.3系統(tǒng)主要模塊功能特點和技術參數(shù)
1.3.1雙饋發(fā)電機
額定功率：3kW
額定電壓：380V
轉(zhuǎn)子電壓：124V
轉(zhuǎn)子開路電壓：620V
額定轉(zhuǎn)速：1200rpm
級數(shù)：6
防護等級：IP44
1.3.2雙饋可控逆變控制系統(tǒng)
響應速度：<300us
額定電壓：380V
額定頻率：50Hz
頻率波動范圍：±1HZ
電網(wǎng)電壓總諧波畸變率：4%
額定容量：<=10kW
功率因數(shù)：0.951
效率：滿功率時>=95%
冷卻方式: 空冷
并網(wǎng)時間：<2s
通訊方式：profibus DP
噪聲：＝<70dB
1.3.3齒輪箱
大負載10kW， 變速比1:90

1.3.4控制系統(tǒng)
（1）主控制系統(tǒng)包括：控制柜、電氣系統(tǒng)、主控計算機及控制系統(tǒng)軟件
（2）偏航系統(tǒng)：偏航伺服電機、減速箱及編碼器、伺服控制器及控制軟件
（3）變漿系統(tǒng)：變漿伺服電機、伺服控制器及控制軟件
（4）偏航電機：0.75kW
（5）偏航扭纜CW方向傳感器
（6）伺服控制器：

DSP全數(shù)字控制方式，可以實現(xiàn)多種電機控制算法
內(nèi)置電子齒輪控制功能
六種脈沖輸入方式，與用戶上位機接口方便靈活
編碼器反饋脈沖可分頻輸出，分頻數(shù)：1-255
鍵盤及LED數(shù)碼顯示
保護功能：具有過壓、過流、過載、失速等報警
1.3.5檢測用傳感器
電機速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅(qū)動器供貨，具體按照定貨實際參數(shù)
1.3.6電控柜系統(tǒng)
由調(diào)速控制柜、變流控制柜、備用電源柜、主控主控臺組成。
1.3.7 PLC控制系統(tǒng)
采用主站PLC為主的主控系統(tǒng)、分站PLC為輔的偏航及變漿系統(tǒng)，Profibus DP通訊接口。系統(tǒng)可以通過遠程操控，組態(tài)控制軟件，提供標準的編程接口。
1.3.8底座
（1）組成：基座、塔桿、偏航系統(tǒng)支架、機艙；
（2）基座：系統(tǒng)尺寸：3.8m×1m×3m范圍內(nèi)；底座的設計與系統(tǒng)設計過程中采用的具體器件有關，可以根據(jù)器件及客戶需求終確定結構尺寸及加工。
（3）機艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統(tǒng)、發(fā)電機、傳感器等。
1.3.9風速模擬驅(qū)動系統(tǒng)
用來模擬風力發(fā)電機中風吹風輪轉(zhuǎn)動情況，是實驗系統(tǒng)的動力源。其中包括電動機部分和驅(qū)動器部分：
(1) 電動機：三相交流異步電動機
額定電壓：380V
額定電流：15.3A
額定功率：7.5kW
額定轉(zhuǎn)速：1440r/min
(2)驅(qū)動器：西門子440變頻器
■ 主要特征：
調(diào)試簡單
6個可編程，帶隔離的數(shù)字輸入
2個可編程的模擬輸出
3個*的可編程的繼電器輸出
完善的變頻器和電動機保護功能
■ 控制功能的特點：
新的IGBT技術
數(shù)字微處理器控制
高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)
線性V/F特性
平方V/F特性
高品質(zhì)的PID控制器
集成的制動（斬波）器
4個跳轉(zhuǎn)頻率
■保護功能：
過載能力
過壓/欠壓保護
變頻器過溫保護
接地故障保護
短路保護
閉鎖電動機保護
防止電動機失速
參數(shù)連鎖
1.3.10風速風向模擬系統(tǒng)
（1）風速風向儀
■ 技術指標：
風速測量范圍：0-60m/s
風速測量精度：±0.4m/s
風向測量范圍：0-360°
風向測量精度：±2°
電壓：DC9V-24V
傳輸方式：數(shù)字傳輸485/模擬接口
（2）變頻器
額定電壓：380V
額定功率：1.5kW
功能：過載報警、外部故障停機、欠壓停機、RS485通訊接口
（3）模擬風發(fā)生器
額定電壓：380V
額定功率：0.85kW
大流量：210m³/h
大吹力：220mbar
1.3.11監(jiān)控系統(tǒng)
■ 技術指標：
操作系統(tǒng)：Windows XP/CE，WinXPE
安裝方式：控制柜面板
工作環(huán)境溫度：-20℃~50℃
工作相對濕度：10～95% ，無凝結
■ 功能特點：
寬溫度設計，適合低溫下穩(wěn)定運行
安全保護，防止風力振動帶來的損壞
支持Windoews系統(tǒng)的軟件開發(fā)
風電機組控制
參數(shù)顯示和設置
權限控制
故障記錄查詢
歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計
1.3.12主控制器功能特點
■ 高性能
配置工業(yè)級533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；
程序運行周期小可達10ms；
支持多任務配置，多可配置32種不同任務。
■ 高可靠性
保護及通訊不受電磁干擾；
風電主控制器已通過UL、CE認證；
背板背面全部接地，有效抵抗脈沖群干擾；
具備良好的電磁兼容性，現(xiàn)場與系統(tǒng)、通道與通道間采用隔離措施。
■開放性強
支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，如 Modbus、Profibus-DP等，同時提供多種接口方式選擇，滿足風力發(fā)電機上通訊設備的需求；
■出色的環(huán)境適應性
寬溫型設計，存儲溫度-40℃～70℃，運行溫度-25℃～60℃；
出色的三防工藝，防鹽霧、防濕熱、防霉菌，適合于戈壁、灘涂以及海上風力發(fā)電機。
■強大的冗余和自診斷功能
擁有強大的自診斷功能，DO模塊具有回讀功能，進行數(shù)據(jù)比較自檢；
具有掉電檢測和超量程及超限報警功能；
支持電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，滿足海上風機的高可靠性要求；
■適合風電應用的專家模塊
高速測頻模塊、光纖通訊模塊、電量采集模塊等，用于完成風電特殊信號的采集和通訊；
■ 易用性和易維護性
模塊支持帶電插拔，新模塊自動進行數(shù)據(jù)的初始化設置，并快速與CPU建立通信；
編程軟件符合IEC61131-3標準，具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六種編程語言；
靈活的SD存儲卡，可進行工程恢復及備份復制，使系統(tǒng)維護更加方便、快捷；
背板上設計有防混銷，以避免插錯模塊；
采用WAGO端子接線，簡單牢固。保證機艙震動過大時，接線不脫落；
外形小巧，易于安裝，既可分散，也可集中；
1.3.13主控制器編程軟件
■功能特點
符合IEC61131-3標準的編程語言
強大的運算功能，支持32位浮點運算
支持數(shù)組、指針，方便實現(xiàn)復雜運算
支持軟件仿真、在線調(diào)試及用戶代碼檢查功能
集成故障數(shù)據(jù)分析和顯示功能
具有用戶程序密碼保護功能
六種編程語言，滿足編程人員進行復雜的邏輯控制需求
子程序之間可采用不同的編程語言，并可相互調(diào)用
支持編寫自定義塊、函數(shù)和子程序可保存為內(nèi)部庫的形式
自定義內(nèi)部庫可以在不同工程中調(diào)用
可對風機中的關鍵變量進行采樣跟蹤，如風速、槳距角
角度、風向、發(fā)電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉(zhuǎn)矩
等進行實時跟蹤，并保存數(shù)據(jù)
1.3.14安全鏈
震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統(tǒng)，可以避免系統(tǒng)失控。
1.3.15電源
實驗室提供50kVA三相四線AC 380V交流電源、5kVA的AC 220V交流電源及可靠的接地系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)功能
風力發(fā)電機實驗系統(tǒng)主要用于學生的教學實踐和科研開發(fā)，通過風機控制系統(tǒng)與風機模擬系統(tǒng)的連接，盡可能的模擬實際風力發(fā)電機運行的工藝特點和控制要求。此系統(tǒng)開放性強，可通過對控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的PLC 編程，實現(xiàn)對不同類型風機的模擬以及控制仿真，可用于學生理論研究、實踐等。實現(xiàn)變速恒頻風力機組發(fā)電狀態(tài)的模擬，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、發(fā)電量及有功、無功調(diào)節(jié)。
■主要實驗功能如下：
風力發(fā)電機接線形式實驗
空載運轉(zhuǎn)實驗
并網(wǎng)過程實驗
并網(wǎng)連續(xù)運行實驗
風速模擬實驗
轉(zhuǎn)距模擬實驗
發(fā)電功率模擬實驗
其它相關發(fā)電性能及測量實驗
脫網(wǎng)保護模擬實驗
控制策略模擬實驗
主控系統(tǒng)的配置、特點和工藝要求
學習主控軟件編寫和調(diào)試
研究和調(diào)試風機核心控制算法
自主編程應用
風力發(fā)電現(xiàn)場參數(shù)采集的邏輯分析
3.設備安裝建議
要求：室內(nèi)安裝，樓層高度不低于3m，樓層為一樓，門寬3m，樓層走廊3m。