HL-SK03T双馈风力发电实训设备实验系统教学平台考核培训装置

HL-SK03T双馈风力发电实验系统

一、产品概述      

本实验系统采用变速恒频控制的双馈异步发电机组，可以完成大功率双馈风电机组的风力机模拟和运行操作训练。

二、产品特点

1) 模拟真实风力发电机的启动、并网、正常运行和停机过程，具备模拟机组变速调节能力，有功、无功的调节能力；

2) 风速模型不仅可设定典型几种风速曲线，支持导入实际测量得到的风速―时间数据；

3) FaceView实验主控软件执行机组运行状态流程控制和数据记录、显示、系统监控等功能；

4) 实现风速和风力机模拟，机组并网控制，机组最大功率运行控制，机组恒速运行，机组限功率运行，机组低电压穿越，机组脱网控制等控制功能；

5) 背靠背变流器可实现直流侧电压的初始状态进行设定，实现单位功率因数并网，实现风力发电机在故障条件下不脱网运行，低电压穿越的功能，支持风机的低电压穿越实验;

6) 软件分析风力发电的数据与运行特性，能够显示异常时的故障原因；

7) RS485接口，提供开放式MODBUS规约接入监控系统；

8) 完善的保护功能，包括过电压保护、过电流保护、过温保护、超速保护、短路保护，可以实现低电压穿越以及外接电源电压不稳定时保护实验；

注：带醒目的危险标识，如：有电危险、运行时请勿打开、严谨带电操作等。

二、系统运行技术参数

2.1 工作条件

² 输入电压：三相四线～380V±10%  50Hz

² 装置容量：≤5.0kW

² 海拔：0～2000m；

² 环境温度：-10℃～＋50℃；

² 环境相对湿度: 10～90%(25℃)；

² 大气压力范围：1个标准大气压范围；

² 室内安装；

² 平台必须水平安装；

² 设备正常使用年限：≥20年；

² 环境要求：环境通风良好，不含易燃、腐蚀性气体；

2.2 实验平台的基本尺寸：

² 实验台：1400×400×400；（长×深×高，mm）

² 变流器：800×800×2000；

² 主控柜：800×800×2000；

注：实验平台分两排布置，预计占地面积 4m×4m

2.2 定制双馈变流器系统

风电变流器包括双馈风机变流器、全功率变流器和PWM整流器，均为我司自主研发，根据高校和研究所客户要求定制开发，具有功能完善、产品可靠、开放性强、保护严格等特点。

模拟风力发电系统的变流器由AC-DC-AC PWM变换器来实现，前级交流输入可选接入交流/直流电网，根据设定的风速，将相应能量注入到直流母线上，后级交流输出接交流母线，将输入的能量注入到配电/微电网。该变流器为定制产品，根据用户的要求设计，功能特点如下：

² 机侧矢量控制，网侧矢量解耦P/Q控制；

² 电网电压在-3%～+7%范围内波动时能正常运行；

² 并网满载电流总谐波畸变率5%以下；

² 过流/过压/过温保护，分硬件保护和软件保护；

² 具备低电压穿越功能；

² 提供直流侧外接其他电气设备的接口；

² 支持电网不平衡度小于 10%时正常发电运行；

² 支持较宽的运行速度范围：700-2000RPM；

   5.0 kW背靠背变流器主要指标

2.3 设备主要配置参数

三、双馈系统低电压穿越与实验

3.1 电网电压跌落的危害

对双馈风电机组来说：

² 出现的过电流会损坏电力电子器件；

² DC端过电压，将威胁直流侧元器件；

² 附加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件；

对电网来说：

² 引起电网频率降低；

² 引起电网线压降低；

² 引发联锁效应，导致大面积电网瘫痪。

3.2 低电压穿越LVRT定义及意义

当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。

它对系统由较为重要的意义：

² 风机能够不脱网持续运行；

² 能够对电网进行动态无功功率Q支撑；

² 有助于有功功率P恢复；

3.3 国内低电压穿越标准

对于低电压穿越，要求如下图所示，方案完全遵循此标准：

² 并网点电压跌至20%额定电压时，保证不脱网连续运行625ms ；

² 跌落后2s 内恢复到额定电压的90%时，不脱网连续运行。

² 无功支撑：响应时间不大于75ms，持续时间不少于550ms ；无功电流满足IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）

² 有功恢复：故障切除后以至少10%额定功率/秒的功率恢复到故障跌落前的功率；

3.4 低电压穿越LVRT实验方案介绍

主要为在变流器上添加Crowbar和Chopper电路，并在变流器中进行相应控制：

² Crowbar：其响应时间短，能够保护变流器IGBT、吸收和衰减畸变电流和谐波电流

² Chopper：主要考虑单管吸收回路的设计，不同于Crowbar的投切工作方式，Chopper装置在运行过程中会进行100Hz左右的斩波动作，大电流关断时的尖峰很容易导致IGBT过压实效。因此设计了RCD吸收回路和低感功率回路。

四、双馈系统实验主控软件

FaceView实验主控软件具有风速特性模拟和风机主控功能，能模拟几种典型风速如：微风、阵风、持续大风、持续中速风、或四种风速合成特性。主控和风机模拟的参数修改权限向用户开放，用户可以自由定制风力机特性，选配接收实际的测风仪数据。主控功能实现机组并网控制，恒速运行，限功率运行，降功率运行，低电压穿越，机组脱网控制。

FaceView监测以下参量：

² 风速、风轮转速；

² 驱动电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；

² 发电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；

² 变流器直流电压；

² 网侧变流器输出电压、电流、功率；

² 电网电压、电流、功率。

五、开放双馈风电变流器系统（说明）

算法类的函数开放，用户可以按照自己的算法修改、调用，如整流、逆变、电机控制的SVPWM和低电压穿越算法。

开放内容如下：

1) 双馈变流器所有电路板硬件原理图及BOM表(pdf版本)：控制板，电源板，信号板，电容板；

2) 双馈变流器柜电气原理图及BOM表(pdf版本)；

3) 开放控制板的debug接口，客户可以烧写自己的程序；

4) 双馈变流器通讯协议(RS485)（免费）；

5) 双馈变流器使用手册(免费)；

6) 双馈变流器编程手册pdf版；

双馈变流器软件低电压穿越算法、整流器SVPWM算法和电机控制SVPWM算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驱动功能、硬件配置功能、通讯功能、保护功能、编码器功能、采样功能、锁相环功能、滤波函数等。低电压穿越算法、整流器SVPWM算法和电机控制SVPWM算法用户可以修改、调用。 

六、实验室智慧用电安全控制系统

智能电源管理系统具有过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定7大保护功能；电源具有一键锁定功能，处理故障时，防止漏电保护器合闸，造成触电危险；电源具有故障锁定功能，发生故障导致跳闸时，不能人为上电，只能通过远程清除故障后，才能上电成功；能通过无线4G和有线以太网与手机APP和PC端云平台通讯，没有网络的情况下，教室整套智能电源管理系统可离线独立运行。

1、智能终端：智能电源管理系统以32位ARM为核心，采用4.3寸彩色触摸屏为人机交互界面，实时监控设备运行情况，提供Zigbee、CAN等多种通信模式，具备语音播报功能。能实时监测三相电压、电流、功率，功率因数、频率、电能等参数，液晶触摸屏监测数值。能监控实验室电源的故障类型和故障次数；设备时间管理包含年月日时间的显示；用户通过刷卡方式请求开启设备，PC端进行授权之后，设备可启动使用，PC端可分时预约设备的启动和停止！

2、手机APP：用电状态界面实时显示当前电压、电流、有无功功率、电能、设备温度、漏电电流值等；用电数据界面能智能查找近2年用电数据，设置界面能设置限定电能值、负载值、设备超温值、过欠压值、过欠压恢复时间值等。后台查看报警日志、操作日志、故障日志等。控制：可在微信小程序中远程控制智能开关的通断。

3、PC端软件：每个设备状态信息显示，具有多个子界面，具有故障分析，用电能效分析、集中管理、个人中心资料管理、用户报警定位跟踪与信息统计；具有管理员信息修改与权限管理等功能。可一键开启和关闭所有设备，可单独控制每台设备的开关！

4、后台系统：包含账号管理、设备管理、报修管理、用户管理，设备管理：①、包含监控管理：实时视频监控每个教室，可一键预览所有设备的在线和运行情况，分析设备使用率及运行时间！②、包含设备节点：可显示设备所在位置、编码名称、挂载情况、用户编辑、用户查询等。

5、报修管理：用户可进行远程报修，反应设备故障信息，编辑报修情况，后台可进行远程维护，及时跟进，以有效解决用户设备维护。

6、用户管理：可连通手机号，对账户进行一对一的安全加密，实名认证，防止账户泄密、防盗，现场数据连接云平台后台数据库管理。

现场需对功能逐一演示，提供有效、权威的证明文件，佐证该产品的可靠、安全、先进性。

七、仿真规划软件

    基于Unity3D软件，使用C#语言进行开发，采用My Sql作为后台数据库，通过FTP协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质4种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。

7) 用户管理功能：

注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户

登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。

找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码

权限管理：支持主用户添加或删除子用户

用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等

异地登录：同一个账号24小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。

8) 气象数据库

支持查看全国超过32个城市的模拟地图气候数据。支持查看2013-2016年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。

9) 3D地图功能

支持教师通过3D地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以最大化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。

根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域3d地图、加载在3D地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、3D地图模型、山川、河流与树木；

支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。

支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在1天24小时内随机波动的特点；）

支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价

支持修改生物质能的相关评分参数：生物质年供应、整机效率、生物质残余物平均能源折算系数、生物质平均谷草比系数、生物质残余物能源利用可获得系数、建设成本、燃料成本、运维成本等。同时可自动根据公司计算得出每年最大可建设的电站功率作为评分准则。

（最大生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）

设计区域内的5种用能建筑模型（底层住宅、交通枢纽、酒店、小高层、写字楼），通过设置每个建筑模型的最大功率、制冷制热能耗占比、每小时实际用电系数、日能耗时长，可以获得区域内建筑每小时、每天、全年的耗电情况以及制冷制热能耗需求；

可选择全国任意地区（精确城市）、任意气候时段作为区域能源模拟的目标区域，通过对比数据库可以得出当地经纬度、光伏组件全年最高、最低工作温度，并可以自动计算最大、最小电压、最大开路电压、最大直流电流等数据，可以自行比较同一模型不同规划方案的优劣，通过比较倾角偏差、组件逆变器功率比、间距误差、逆变器数量、生物质电站容量、浅层地热容量、风力电站布局、外部电力输入、外部电力波动、建设总成本等，可以对同一模型下的方案进行自动评分

命名：教师可以自行命名模型的名字

删除：教师可以对模型进行删除操作

八、可开设实验及科研教学内容

1) 风力机模拟实验

2) 低电压穿越实验

3) 低电压穿越算法研究

4) 直流母线电压控制实验

5) 并网过程及连续实验

6) 亚同步速、超同步速运行控制实验

7) 风力发电并网功率因素调节

 实验项目表