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一、產(chǎn)品概述
    雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由雙饋異步發(fā)電機(jī)組、控制屏、變流器柜、大功率三相自耦調(diào)壓器、監(jiān)控軟件六部分組成。
    雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)，通過(guò)風(fēng)電上位機(jī)軟件，監(jiān)控PLC來(lái)控制直流調(diào)速器，通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組端電壓來(lái)模擬自然狀態(tài)下風(fēng)速的變化，實(shí)現(xiàn)輸出功率（轉(zhuǎn)矩）的控制，完成風(fēng)力機(jī)的模擬控制。

圖1  雙饋異步風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參考圖片（結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用戶(hù)要求改動(dòng)）

       工業(yè)PC采用力控組態(tài)軟件經(jīng)PLC可編程控制器通過(guò)RS-485/USS協(xié)議與調(diào)速器通信，調(diào)速器將機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)、電樞電流、電壓信號(hào)等信號(hào)上傳，監(jiān)控軟件根據(jù)調(diào)速器上傳的信號(hào)以及虛擬風(fēng)速信號(hào)，通過(guò)數(shù)字化的典型風(fēng)力機(jī)特性曲線，計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的輸出功率或轉(zhuǎn)矩，并將其作為直流電動(dòng)機(jī)的控制指令通過(guò)RS485下置作為調(diào)速器的給定端加以執(zhí)行，由數(shù)字直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。其中系統(tǒng)監(jiān)控管理主要是對(duì)系統(tǒng)各智能控制裝置的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電SCADA。
       發(fā)電機(jī)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，變流器控制部分采用DSP處理器；功率部分采用雙向背靠背PWM變流器模塊。電網(wǎng)則采用9kVA調(diào)壓器來(lái)模擬。
二、技術(shù)方案
       在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為其主要發(fā)展方向之一。其中，交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)發(fā)電是一種比較優(yōu)化的控制方案。它是通過(guò)在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電源進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)輸出電量的控制。

圖2  技術(shù)方案參考圖片

       雙饋異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似繞線式異步感應(yīng)電機(jī)，定子與一般的交流電機(jī)一樣也有三相分布式繞組；轉(zhuǎn)子與一般電機(jī)不同，它也有三相分布式繞組。運(yùn)行時(shí)定子側(cè)直接接入工頻的三相電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變頻器接入所需的低頻電流。因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子側(cè)都有能量的流動(dòng)，所以稱(chēng)為雙饋電機(jī)。也可以稱(chēng)為交流勵(lì)磁電機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子是通過(guò)變頻器接入的低頻電流勵(lì)磁的。
       根據(jù)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)交流勵(lì)磁電源的要求，針對(duì)目前適合用作交流勵(lì)磁電源的變流器進(jìn)行詳細(xì)深入的比較分析，認(rèn)為在目前的電力電子技術(shù)條件下，兩電平電壓型雙PWM變流器是可用作變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁電源*具優(yōu)勢(shì)的一種變流器。
       兩電平電壓型雙PWM變流器是由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過(guò)直流母線連接而成，如圖3所示，其英文名稱(chēng)為Back-to-Back PWM Converter。由于在變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變流器的工作狀態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來(lái)區(qū)分它們，而是按照它們的位置分別稱(chēng)之為網(wǎng)側(cè)PWM變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)即機(jī)側(cè)PWM變流器。

圖3  兩電平電壓型雙PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

       在具體的運(yùn)行控制過(guò)程中，這兩個(gè)PWM變流器各司其職。其中，網(wǎng)側(cè)變流器的任務(wù)主要有兩個(gè)，一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求，理論上網(wǎng)側(cè)PWM變流器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這就為整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了另一個(gè)途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè)PWM變流器正常工作的前提，是通過(guò)對(duì)輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
        轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制DFIG的轉(zhuǎn)速或控制DFIG定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的*佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運(yùn)行。

圖4-  雙饋電機(jī)的工作示意圖

        若將雙饋電機(jī)的定子接入電網(wǎng)上，則定子側(cè)的電流頻率可以認(rèn)為是不變的，由此可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)確定轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變頻器提供勵(lì)磁電流的頻率，由電機(jī)原理可以得出以下關(guān)系式：

(1）(其中當(dāng)，電機(jī)處于亞同步時(shí)取正號(hào)，，電機(jī)處于超同步時(shí)取負(fù)號(hào))。其中：為電網(wǎng)頻率，為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率，為電機(jī)極對(duì)數(shù)，為轉(zhuǎn)差率。
由式（1）可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，若控制轉(zhuǎn)子電流頻率相應(yīng)變化，可使定子電流頻率恒定不變且與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速變化時(shí)輸出電能的“恒頻”控制。
三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)性能﹑指標(biāo)及配備
       1.  技術(shù)性能
       1.1輸入電壓：三相四線～380V±10%  50Hz
       1.2裝置容量：＜15.0kVA
       2.  裝置構(gòu)成及各主要元件性能指標(biāo)
       包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力機(jī)控制柜、雙饋?zhàn)兞髌鞴瘛⒋蠊β嗜嘧择钫{(diào)壓器、監(jiān)控軟件六個(gè)部分。
       2.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組
       發(fā)電機(jī)組由直流電動(dòng)機(jī)、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、機(jī)組固定底盤(pán)及配套件等構(gòu)成。
       2.1.1直流電動(dòng)機(jī)
       Ø  額定電樞電壓：DC440V
       Ø  額定功率：4kW
       Ø  額定轉(zhuǎn)速：1500r/min 
       2.1.2直流調(diào)速器
       采用功能強(qiáng)大的西門(mén)子6RA70型數(shù)字四象限直流調(diào)速器作為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。在風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)中，為原動(dòng)機(jī)提供電源。額定參數(shù)如下：
       Ø  *大輸出功率：6.3kW
       Ø  額定電樞電流：15A
       Ø  額定電樞電壓：420V
       Ø  額定勵(lì)磁電流：3A
       Ø  額定勵(lì)磁電壓：325V
       Ø  通訊口：RS485/232，支持 USS通訊協(xié)議
       2.1.3雙饋異步發(fā)電機(jī)
       Ø  額定功率：3kW
       Ø  額定定子電壓：AC380V（線電壓）
       Ø  轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓：AC600V
       Ø  同步轉(zhuǎn)速：1500r/min
       Ø  轉(zhuǎn)速率調(diào)節(jié)范圍：±25%
       2.1.4機(jī)組固定底座及配套件
       參考圖5，機(jī)組底座采用整體翻砂件，表面平整度高，直流電動(dòng)機(jī)與雙饋發(fā)電機(jī)采用橡膠連軸器軟連接，為保護(hù)學(xué)生安全，配有防護(hù)罩。底座裝設(shè)帶減震功能的支撐腳，為方便機(jī)組移動(dòng)裝設(shè)方向輪1只、定向輪兩只。

圖5  機(jī)組參考圖片

       2.2仿真器：
       適配TMS320F2812。
       2.3模擬表頭
       采用國(guó)標(biāo)6L2系列表頭，含原動(dòng)機(jī)電樞電壓表、原動(dòng)機(jī)電樞電流表、系統(tǒng)進(jìn)線電壓表，配三相線電壓切換顯示開(kāi)關(guān)。
       2.4雙饋?zhàn)兞髌鞴?br />        變流器柜含雙饋?zhàn)兞髌髦骰芈泛涂刂葡到y(tǒng)。變流器柜的主回路及控制回路構(gòu)成了雙饋?zhàn)兞髌鳎p饋?zhàn)兞髌髦饕蓹C(jī)側(cè)控制器及網(wǎng)側(cè)控制器兩部分組成。
       機(jī)側(cè)控制器的作用主要有兩個(gè)方面，一是給雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或控制發(fā)電機(jī)定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的*佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)*大風(fēng)能追蹤（捕獲）運(yùn)行。機(jī)側(cè)控制器面板安裝有兩個(gè)信號(hào)指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及9個(gè)波形測(cè)試端子。信號(hào)指示燈可對(duì)控制器工作、保護(hù)狀態(tài)分別指示；鍵盤(pán)可完成機(jī)側(cè)控制器啟動(dòng)/停止設(shè)置，*大功率啟動(dòng)/停止跟蹤設(shè)置，有功/無(wú)功給定，手動(dòng)并網(wǎng)/離網(wǎng)；液晶屏可顯示轉(zhuǎn)速反饋值，有功/無(wú)功反饋值；波形測(cè)試端子可通過(guò)示波器觀測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子相電流波形，可觀測(cè)發(fā)電機(jī)定子相電壓、電網(wǎng)相電壓波形。

參考圖片

       Ø  濾波形式：L
       Ø  控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口      
       Ø  采集信號(hào)：定子三相電壓，轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、電流
       Ø  冷卻形式：強(qiáng)迫風(fēng)冷
       Ø  開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
       Ø  其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預(yù)充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節(jié)點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號(hào)反饋功能。
       網(wǎng)側(cè)控制器面板安裝有三個(gè)信號(hào)指示燈，16鍵PVC軟鍵盤(pán)，240*128點(diǎn)蘭色液晶屏及7個(gè)波形測(cè)試端子。信號(hào)指示燈可對(duì)控制器工作、故障、卸荷狀態(tài)分別給于指示，通過(guò)鍵盤(pán)可完成并網(wǎng)啟動(dòng)/停止設(shè)置。液晶屏可完成三相電流，電壓有效值顯示，直流母線電壓顯示；面板觀測(cè)孔可觀測(cè)電網(wǎng)相電流波形、相電壓波形及直流母線電壓波形。

參考圖片

       Ø  濾波形式：LCL或者LC，可選
       Ø  額定電壓：380V
       Ø  控制芯片：TMS320F2812，留有JTAG口
       Ø  采集信號(hào)：網(wǎng)側(cè)三相電流，網(wǎng)側(cè)三相電壓，定子三相電壓，直流母線電壓，直流母線電流
       Ø  冷卻形式：強(qiáng)迫風(fēng)冷
       Ø  開(kāi)關(guān)頻率：保證5k開(kāi)關(guān)頻率下溫升不超相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
       Ø  其他：具備并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、預(yù)充電、隔離開(kāi)關(guān)、熔絲等必要裝置，并這些裝置具備有源節(jié)點(diǎn)或者干接點(diǎn)信號(hào)反饋功能。
       2.5智能電量監(jiān)測(cè)儀
       Ø  測(cè)量三相電流、三相相/線電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等電量
       Ø  2-31次諧波測(cè)量
       Ø  四象限電能計(jì)量：±有功電能（kWh），±無(wú)功電能（kVarh）
       Ø  標(biāo)準(zhǔn)PT、CT輸入，適用于各種電壓等級(jí)及接線方式
       Ø  RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規(guī)約
       2.6大功率三相自耦調(diào)壓器
       額定容量：9kVA，原邊額定輸入三相AC380V，副邊額定輸出AC 0～430V可調(diào)。
       3.  監(jiān)控軟件

圖6  機(jī)側(cè)部分監(jiān)控軟件

圖7  網(wǎng)側(cè)部分監(jiān)控軟件

四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1.   雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接線實(shí)驗(yàn)
2.   風(fēng)力機(jī)特性離線仿真實(shí)驗(yàn)
3.   雙饋異步發(fā)電機(jī)空載特性實(shí)驗(yàn)   
4.   空載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)
5.   并網(wǎng)及功率輸送實(shí)驗(yàn)
6.   *大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)
7.   有功、無(wú)功解耦控制實(shí)驗(yàn)
8.   電能質(zhì)量分析實(shí)驗(yàn)