一、大型双馈风力发电系统

 1、整体方案
  （1）动力控制系统, 用来模拟自然风通过叶桨产生的转动力矩输入到发电机的机械转矩，为系统发电提供原动力。它由电动机、调速系统和控制系统构成。
  （2）变速恒频双馈风力发电机的励磁控制系统, 控制双向可控逆变器使发电机变速恒频运行。它由双馈风力发电机, 双向可控逆变器和控制软件系统等构成。
  （3）风力发电的主控系统, 对整个风力发电系统进行统一监控、管理和安全控制。主要包括监控主机和监控软件、主控系统、多功能测控仪表、模拟风系统、风力发电安全系统及各类测量仪器仪表等。

    风机实验系统包含变桨、主控、主轴、齿轮箱、发电机、双向可控逆变控制器、备用电源、风速模拟等，用于模拟实际风机运行状态，测试相关硬件和软件系统，分析风机离、并网发电系统的控制算法。

    风机实验系统电控部分包含主控系统、变桨系统、测试系统、逆变并网控制系统、监控系统等。
主控系统用于连接风速风向传感器、震动传感器、位置传感器、测量、安全链、监控系统等，控制风速方向、偏航、变桨等信息。

    变桨系统主要是用于控制三个桨叶的独立转动，模拟风机叶桨根据风速及风向变化情况完成变桨控制算法，实现变桨控制。

    测试系统主要控制风速模拟系统，用于模拟自然风速风向，来测试风力发电机在不同风速风向情况下的运行状态；
离、并网控制主要完成风力资源的离、并网利用，分析系统运行的各种工况。
  2、大型风力发电模拟实验系统选型
   2.1、系统整体结构
     在实验室环境下研究风力发电系统, 无法得到现场的风能输入, 也无法安装巨大的桨叶, 因此用原动机及模拟风系统实现风力发电机的机械和电气输出特性；风力发电实验系统构成图，如图6

 2.2、系统组成

  2.3、主控实验系统
   主控实验系统包括主控控制系统以及模拟风发生系统，风机主控系统如图8。

   2.3.1、主控系统是风力发电机控制的核心，在满足风力发电机安全运行的前提下，尽可能的获取最大功率。
   2.3.2、主控系统用于模拟实际 1.5～3 MW双馈型风机的主控系统，主要用于模拟实际风机的主控系统，采集变浆和偏航的IO 点，实现整机控制。HMI用于显示和控制PLC 系统。
   2.3.3、风力发电机主控系统采用主控PLC 与专用HMI，与实际风机控制系统一致，满足风机控制要求。
   2.3.4、风力发电机整机模拟系统包括操作台柜、PLC、按钮、指示灯、测控仪表、风速风向发生仪、监控系统等，用于模拟风机内部各种控制信号。模拟测试系统与实际控制系统连接，来模拟风机运行的实际状况。风力发电机内部模拟控制信号可通过PLC编程控制，用户也可在现有硬件基础上自行开发控制软件，实现对各种自然风的模拟，完成对风力发电机控制算法的研究。

     通过风力发电机控制系统与风力发电机模拟系统的连接，尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强，可通过对控制系统和模拟系统的PLC编程，实现对不同类型风力发电机的模拟以及控制仿真。可用于学术理论研究、学生实验等。
  此套系统主要功能包括：
   ■可通过此系统，让学生学习主控系统的配置、特点和工艺要求；
   ■可通过此系统，让学生学习主控软件编写和调试；
   ■可通过此系统，让学生研究和模拟不同风机的运行特点；
   ■可通过此系统，让学生研究和调试风机核心控制算法；
   ■可通过此系统，测试完整的主控系统，实现主控系统电气、软件等测试
  风机主控实验系统特点：
   ■ 先进性，满足目前最主流的兆瓦级变速恒频风机控制系统的要求；
   ■ 开放性，无论是PLC 还是计算机均可自主编程，满足学生学习的要求；
   ■ 适应性，可满足不同功率、不同类型的风机测试和模拟；
  2.4、模拟风发生系统
     本实验系统包括一套测试系统，由PLC、变频器、工控机等组成，主要用于控制模拟风发生器的风速和风向，模拟实际运行的风速环境，其功能如下：
   ■ 内部保存多种风速曲线，包括微风、阵风、大风、飓风等，包含风速变化趋势曲线，可方便的模拟实际的风况；
   ■ 通过变频器控制，控制不同风速；
   ■显示屏可以显示主控系统、变桨系统、偏航系统和测试系统的参数，并能方便控制；
   ■ 测试系统通过对不同风速的控制，来测试不同风况下的风力发电机运行状态。
  3、系统主要模块功能特点和技术参数
   3.1、双馈发电机
      额定功率：3kW；
      额定电压：380V；
      转子电压：124V；
      转子开路电压：620V；
      额定转速：1200rpm；
      级    数：6；
      防护等级：IP44。
   3.2双馈可控逆变控制系统
      响应速度：<300us；
      额定电压：380V；
      额定频率：50Hz；
      频率波动范围：±1HZ；
      电网电压总谐波畸变率：4%；
      额定容量：≤10kW；
      功率因数：0.951；
      效    率：满功率时>=95%；
      冷却方式: 空冷；
      并网时间：<2s；
      通讯方式：profibus DP；
      噪    声：≤70dB。
   3.3、齿轮箱
      最大负载10kW， 变速比1:90。
   3.4、控制系统
   3.5、检测用传感器
       电机速度、位置编码器、电流、电压传感器。随驱动器供货，具体按照定货实际参数。
   3.6、电控柜系统
       由调速控制柜、变流控制柜、备用电源柜、主控主控台组成。
   3.7、PLC控制系统
       采用主站PLC为主的主控系统、分站PLC为辅的偏航及变浆系统，Profibus DP通讯接口。系统可以通过远程操控，组态控制软件，提供标准的编程接口。
   3.8、底座
    （1）组成：基座、塔杆、偏航系统支架、机舱；
    （2）基座：系统尺寸：3.8m×1m×3m范围内；底座的设计与系统设计过程中采用的具体器件有关，可以根据器件及客户需求最终确定结构尺寸及加工。
    （3）机舱：叶桨、轮毂、齿轮箱、拖动系统、发电机、传感器等。
   3.9、风速模拟驱动系统
用来模拟风力发电机中风吹风轮转动情况，是实验系统的动力源。其中包括电动机部分和驱动器部分：
    (1) 电动机：三相交流异步电动机
          额定电压：380V；
          额定电流：15.3A；
          额定功率：7.5kW；
          额定转速：1440r/min。
   (2)驱动器：西门子440变频器。
      ■ 主要特征：
          a.调试简单；
          b.6个可编程，带隔离的数字输入；
          c.2个可编程的模拟输出；
          d.3个完全的可编程的继电器输出；
          e.完善的变频器和电动机保护功能。
      ■ 控制功能的特点：
          a.最新的IGBT技术；
          b.数字微处理器控制；
          c.高质量的矢量控制系统；
          d.线性V/F特性；
          e.平方V/F特性；
          f.高品质的PID控制器；
          g.集成的制动（斩波）器；
          h.4个跳转频率。
     ■保护功能：
          a.过载能力；
          b.过压/欠压保护；
          c.变频器过温保护；
          d.接地故障保护；
          e.短路保护；
          f.闭锁电动机保护；
          g.防止电动机失速；
          h.参数连锁。
   3.10、风速风向模拟系统
   （1）风速风向仪
     ■ 技术指标：
         a.风速测量范围：0-60m/s；
         b.风速测量精度：±0.4m/s；
         c.风向测量范围：0-360°；
         d.风向测量精度：±2°；
         e.电     压  ： DC9V-24V；
         f.传 输 方 式：数字传输485/模拟接口。
  （2）变频器
         额定电压：380V；
         额定功率：1.5kW；
         功    能：过载报警、外部故障停机、欠压停机、RS485通讯接口。
  （3）模拟风发生器
         额定电压：380V；
         额定功率：0.85kW；
         最大流量：210m³/h；
         最大吹力：220mbar。
  3.11、监控系统
    ■ 技术指标：操作系统：Windows XP/CE，WinXPE；
                 安装方式：控制柜面板；
                 工作环境温度：-20℃~50℃；
                 工作相对湿度：10～95% ，无凝结。
    ■ 功能特点：
                宽温度设计，适合低温下稳定运行；
                安全保护，防止风力振动带来的损坏；
                支持Windoews系统的软件开发；
                风电机组控制；
                参数显示和设置；
                权限控制；
                故障记录查询；
                历史数据查询和统计。
   3.12、主控制器功能特点
     ■ 高性能：配置工业级533MHz处理器，拥有纳秒级（13ns）的处理速度；程序运行周期最小可达10ms；支持多任务配置，最多可配置32种不同任务。
     ■ 高可靠性：保护及通讯不受电磁干扰；风电主控制器已通过UL、CE认证；背板背面全部接地，有效抵抗脉冲群干扰；具备良好的电磁兼容性，现场与系统、通道与通道间采用隔离措施。
     ■开放性强：支持多种现场总线协议，如 Modbus、Profibus-DP等，同时提供多种接口方式选择，满足风力发电机上通讯设备的需求；
     ■出色的环境适应性：宽温型设计，存储温度-40℃～70℃，运行温度-25℃～60℃；出色的三防工艺，防盐雾、防湿热、防霉菌，适合于戈壁、滩涂以及海上风力发电机。
     ■强大的冗余和自诊断功能：拥有强大的自诊断功能，DO模块具有回读功能，进行数据比较自检；
具有掉电检测和超量程及超限报警功能；支持电源冗余、CPU冗余、通讯冗余，满足海上风机的高可靠性要求；
     ■适合风电应用的专家模块：高速测频模块、光纤通讯模块、电量采集模块等，用于完成风电特殊信号的采集和通讯；
     ■ 易用性和易维护性：模块支持带电插拔，新模块自动进行数据的初始化设置，并快速与CPU建立通信；编程软件符合IEC61131-3国际标准，具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六种编程语言；灵活的SD存储卡，可进行工程恢复及备份复制，使系统维护更加方便、快捷；背板上设计有防混销，以避免插错模块；
采用WAGO端子接线，简单牢固。保证机舱震动过大时，接线不脱落；外形小巧，易于安装，既可分散，也可集中；
   3.13、主控制器编程软件
     ■功能特点
       符合IEC61131-3标准的编程语言；
       强大的运算功能，支持32位浮点运算；
       支持数组、指针，方便实现复杂运算；
       支持软件仿真、在线调试及用户代码检查功能；
       集成故障数据分析和显示功能；
       具有用户程序密码保护功能；
       六种编程语言，满足编程人员进行复杂的逻辑控制需求；
       子程序之间可采用不同的编程语言，并可相互调用；
       支持编写自定义块、函数和子程序可保存为内部库的形式；
       自定义内部库可以在不同工程中调用；
       可对风机中的关键变量进行采样跟踪，如风速、桨距角；
       角度、风向、发电机输出电流、电压、变流器反馈转矩；
       等进行实时跟踪，并保存数据。
   3.14、安全链
         震动、过压、超速、解缆失灵等故障保护系统，可以避免系统失控。
   3.15、电源
         实验室提供50kVA三相四线AC 380V交流电源、5kVA的AC 220V交流电源及可靠的接地系统。

二、系统功能

     风力发电机实验系统主要用于学生的教学实践和科研开发，通过风机控制系统与风机模拟系统的连接，尽可能的模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。此系统开放性强，可通过对控制系统和模拟系统的PLC 编程，实现对不同类型风机的模拟以及控制仿真，可用于学生理论研究、实践等。实现变速恒频风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。
  ■主要实验功能如下：
     风力发电机接线形式实验；
     空载运转实验；
     并网过程实验；
     并网连续运行实验；
     风速模拟实验；
     转距模拟实验；
     发电功率模拟实验。
  ■其它相关发电性能及测量实验
     脱网保护模拟实验；
     控制策略模拟实验；
     主控系统的配置、特点和工艺要求；
     学习主控软件编写和调试；
     研究和调试风机核心控制算；
     自主编程应用；
     风力发电现场参数采集的逻辑分析。

三、设备安装建议

     厂家要求：室内安装，楼层高度不低于3m，楼层为一楼，门宽3m，楼层走廊3m。