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双馈风力发电实验系统,双馈风力发电系统实训装置

  

DB-FN02 双馈风力发电实验系统

一、产品概述
双馈风力发电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。

双馈风力发电实验系统

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
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:2000×400×600;(长×深×高,mm)
 变流器:1000×600×1500;
 主控柜:800×600×1820;
注:实验平台分两排布置,预计占地面积 3m×3m
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。

双馈风电机组图及变流器内部图
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。
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。
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:
 双馈风电实验系统现场图

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
 
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