DB-FN02 雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)
一、產品概述
雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的雙饋異步發(fā)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(fā)電機的啟動、并網、正常運行和停機過程,具備模擬機組變速調節(jié)能力,有功、無功的調節(jié)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(shù)據(jù);
3) FaceView實驗主控軟件執(zhí)行機組運行狀態(tài)流程控制和數(shù)據(jù)記錄、顯示、系統(tǒng)監(jiān)控等功能;
4) 實現(xiàn)風速和風力機模擬,機組并網控制,機組最大功率運行控制,機組恒速運行,機組限功率運行,機組低電壓穿越,機組脫網控制等控制功能;
5) 背靠背變流器可實現(xiàn)直流側電壓的初始狀態(tài)進行設定,實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網,實現(xiàn)風力發(fā)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(fā)電的數(shù)據(jù)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(guī)約接入監(jiān)控系統(tǒng);
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(xiàn)低電壓穿越以及外接電源電壓不穩(wěn)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。
雙饋實驗系統(tǒng)結構圖
二、系統(tǒng)運行技術參數(shù)
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(huán)境溫度:-10℃~+50℃;
環(huán)境相對濕度: 10~90%(25℃);
大氣壓力范圍:1個標準大氣壓范圍;
室內安裝;
平臺必須水平安裝;
設備正常使用年限:≥20年;
環(huán)境要求:環(huán)境通風良好,不含易燃、腐蝕性氣體;
2.2 實驗平臺的基本尺寸:
實驗臺:2000×400×600;(長×深×高,mm)
變流器:1000×600×1500;
主控柜:800×600×1820;
注:實驗平臺分兩排布置,預計占地面積 3m×3m
2.2 定制雙饋變流器系統(tǒng)
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(fā),根據(jù)高校和研究所客戶要求定制開發(fā),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(fā)電系統(tǒng)的變流器由AC-DC-AC PWM變換器來實現(xiàn),前級交流輸入可選接入交流/直流電網,根據(jù)設定的風速,將相應能量注入到直流母線上,后級交流輸出接交流母線,將輸入的能量注入到配電/微電網。該變流器為定制產品,根據(jù)用戶的要求設計,功能特點如下:
機側矢量控制,網側矢量解耦P/Q控制;
電網電壓在-3%~+7%范圍內波動時能正常運行;
并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于 10%時正常發(fā)電運行;
支持較寬的運行速度范圍:700-2000RPM;
項目指標 | 參數(shù)特性 | 項目指標 | 參數(shù)特性 |
變流器拓撲結構 | 雙級背靠背 | 后級控制方式 | 穩(wěn)定直流電壓 |
額定流功率 | 5.0kW | 后級功率因數(shù) | >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% |
前級控制方式 | 功率控制 | 待機狀態(tài)功耗 | <40W |
前級功率因數(shù) | >0.99 | 冷卻方式 | 強迫風冷 |
防護等級 | IP21 | 標準通訊方式 | RS485 |
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 | |
調速范圍 | 0-2000RPM | |
控制方式 | 有PG矢量控制,弱磁控制 | |
接口類型 | RS485 | |
控制環(huán)路 | 速度閉環(huán),力矩閉環(huán) | |
精度 | 電壓、電流、轉速、位置、轉矩的信號測量 | |
定制變流器 | 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(shù) | 0.9 | |
發(fā)電機 | 類 型 | 雙饋發(fā)電機 |
額定功率 | 5.0kW | |
額定電壓 | 380V | |
額定頻率 | 50Hz | |
額定轉速 | 1500rpm | |
轉速范圍 | 0-2000rpm | |
絕緣等級 | F級 |
3.1 電網電壓跌落的危害
對雙饋風電機組來說:
出現(xiàn)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(fā)聯(lián)鎖效應,導致大面積電網癱瘓。
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并網點的電壓跌落時,在電壓跌落的范圍內,風電機組能夠不間斷并網運行。
它對系統(tǒng)由較為重要的意義:
風機能夠不脫網持續(xù)運行;
能夠對電網進行動態(tài)無功功率Q支撐;
有助于有功功率P恢復;
3.3 國內低電壓穿越標準
對于低電壓穿越,要求如下圖所示,方案完全遵循此標準:
低電壓穿越標準
并網點電壓跌至20%額定電壓時,保證不脫網連續(xù)運行625ms ;
跌落后2s 內恢復到額定電壓的90%時,不脫網連續(xù)運行。
無功支撐:響應時間不大于75ms,持續(xù)時間不少于550ms ;無功電流滿足IT≥1.5×(0.9-UT)IN ,(0.2≤UT≤0.9)
有功恢復:故障切除后以至少10%額定功率/秒的功率恢復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,并在變流器中進行相應控制:
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,不同于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。
四、雙饋系統(tǒng)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(xù)大風、持續(xù)中速風、或四種風速合成特性。主控和風機模擬的參數(shù)修改權限向用戶開放,用戶可以自由定制風力機特性,選配接收實際的測風儀數(shù)據(jù)。主控功能實現(xiàn)機組并網控制,恒速運行,限功率運行,降功率運行,低電壓穿越,機組脫網控制。
FaceView監(jiān)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(fā)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。
五、開放雙饋風電變流器系統(tǒng)(說明)
算法類的函數(shù)開放,用戶可以按照自己的算法修改、調用,如整流、逆變、電機控制的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):控制板,電源板,信號板,電容板;
2) 雙饋變流器柜電氣原理圖及BOM表(pdf版本);
3) 開放控制板的debug接口,客戶可以燒寫自己的程序;
4) 雙饋變流器通訊協(xié)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算法和電機控制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(huán)功能、濾波函數(shù)等。低電壓穿越算法、整流器SVPWM算法和電機控制SVPWM算法用戶可以修改、調用。
雙饋風電實驗系統(tǒng)現(xiàn)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) 直流母線電壓控制實驗
5) 并網過程及連續(xù)實驗
6) 亞同步速、超同步速運行控制實驗
7) 風力發(fā)電并網功率因素調節(jié)
實驗項目表
編號 | 名稱 | 學生人數(shù) | 類型 |
1 | 異步電機空載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
2 | 異步電機負載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
3 | 雙饋感應電機空載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
4 | 雙饋感應電機負載實驗 | 每套機組3~5人 | 設計型 |
5 | 風力發(fā)電機啟動并網實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
6 | 風力發(fā)電機正常停機實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
7 | 風力發(fā)電機異常停機 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
8 | 風力發(fā)電機正常運行實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |
9 | 風力發(fā)電機脫網保護實驗 | 每套機組5~8人 | 設計型 |