TW-SNY62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。
双馈实验系统结构图
二、系统运行技术参数
2.1 工作条件
输入电压：三相四线～380V±10% 50Hz
装置容量：≤5.0kW
海拔：0～2000m；
环境温度：-10℃～＋50℃；
环境相对湿度: 10～90%(25℃)；
大气压力范围：1个标准大气压范围；
室内安装；
平台必须水平安装；
设备正常使用年限：≥20年；
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：
实验台：1400×400×400；（长×深×高，mm）
变流器：800×800×2000；
主控柜：800×800×2000；
注：实验平台分两排布置，预计占地面积 4m×4m
2.3 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。
双馈风电机组图及变流器内部图
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：
机侧矢量控制，网侧矢量解耦P/Q控制；
电网电压在-3%～+7%范围内波动时能正常运行；
并网满载电流总谐波畸变率5%以下；
过流/过压/过温保护，分硬件保护和软件保护；
具备低电压穿越功能；
提供直流侧外接其他电气设备的接口；
支持电网不平衡度小于 10%时正常发电运行；
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
项目指标 | 参数特性 | 项目指标 | 参数特性 |
变流器拓扑结构 | 双级背靠背 | 后级控制方式 | 稳定直流电压 |
额定流功率 | 5.0kW | 后级功率因数 | >0.99 |
额定交流电流 | 15A | 直流母线电压 | 600V |
额定交流电压 | 380V | 最大直流电流 | 22A |
额定电网频率 | 50Hz | 电流总谐波畸变率（THD） | <3%（额定功率） |
允许电网频率 | 48～50.5Hz | 最大效率 | 95% |
前级控制方式 | 功率控制 | 待机状态功耗 | <40W |
前级功率因数 | >0.99 | 冷却方式 | 强迫风冷 |
防护等级 | IP21 | 标准通讯方式 | RS485 |
2.3 设备主要配置参数
驱动变频器 | 容量等级 | 5.5KW |
电压等级 | 380V | |
电机类型 | 异步/永磁同步电动机 | |
调速范围 | 0-2000RPM | |
控制方式 | 有PG矢量控制，弱磁控制 | |
接口类型 | RS485 | |
控制环路 | 速度闭环，力矩闭环 | |
精度 | 电压、电流、转速、位置、转矩的信号测量 | |
定制变流器 | 功率等级 | 5.5KW |
电压等级 | 380V | |
功率拓扑 | 二电平背靠背 | |
外形尺寸 | （宽×深×高，mm）800×600×1600 | |
电动机 | 额定功率 | 5.5KW |
额定转速 | 1500RPM | |
同步转速 | 1800RPM | |
额定电压 | 380V | |
功率因数 | 0.9 | |
发电机 | 类 型 | 双馈发电机 |
额定功率 | 5.0kW | |
额定电压 | 380V | |
额定频率 | 50Hz | |
额定转速 | 1500rpm | |
转速范围 | 0-2000rpm | |
绝缘等级 | F级 |
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：
出现的过电流会损坏电力电子器件；
DC端过电压，将威胁直流侧元器件；
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：
引起电网频率降低；
引起电网线压降低；
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：
风机能够不脱网持续运行；
能够对电网进行动态无功功率Q支撑；
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：
低电压穿越标准
并网点电压跌至20%额定电压时，保证不脱网连续运行625ms ；
跌落后2s 内恢复到额定电压的90%时，不脱网连续运行。
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）
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：
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
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。
双馈机组Crowbar
双馈机组Chopper
其软件部分逻辑如下：
双馈机组LVRT软件逻辑
低穿实验波形1
低穿实验波形2
低穿实验波形3
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：
风速、风轮转速；
驱动电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
发电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
变流器直流电压；
网侧变流器输出电压、电流、功率；
电网电压、电流、功率。
风力发电模拟界面
曲线观测界面
参数设定界面
低电压实验
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。
双馈风电实验系统现场图如下：
六、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
编号 | 名称 | 学生人数 | 类型 |
1 | 异步电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
2 | 异步电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
3 | 双馈感应电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
4 | 双馈感应电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
5 | 风力发电机启动并网实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
6 | 风力发电机正常停机实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
7 | 风力发电机异常停机 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
8 | 风力发电机正常运行实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
9 | 风力发电机脱网保护实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
