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大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（工程型）

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一、概述本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)參照兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有形象的物理仿真對(duì)象，創(chuàng)造了良好的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，包括一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬對(duì)象和四臺(tái)控制柜

詳細(xì)介紹

一、概述

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)參照兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有形象的物理仿真對(duì)象，創(chuàng)造了良好的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，包括一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬對(duì)象和四臺(tái)控制柜。

1、風(fēng)機(jī)對(duì)象模型（MW級(jí)見(jiàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)偏航和獨(dú)立變槳功能）；

2、能源管理、監(jiān)控管理及氣象站、偏航變槳控制系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存控制系統(tǒng)、風(fēng)能變流器系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的控制過(guò)程實(shí)訓(xùn)和風(fēng)機(jī)的整機(jī)運(yùn)行演示?？捎糜诼殬I(yè)院校學(xué)生的風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳偏航裝置電氣控制操作及電氣故障、風(fēng)電并網(wǎng)控制技術(shù)培訓(xùn)，也可用于風(fēng)電檢修工技能鑒定培訓(xùn)。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各部分通過(guò)電纜連接，可組成一套既能演示又能動(dòng)手設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

二、 設(shè)備組成

SYXNY-FL01 大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)主要由模擬光源跟蹤裝置、模擬風(fēng)能裝置、模擬能源控制系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)和能源監(jiān)控管理系統(tǒng)六個(gè)部分組成，如圖1所示。

SYXNY-FL01 大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨(dú)立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

(1)、設(shè)備尺寸：模擬光源跟蹤裝置 2000mm×1500mm×2000mm

模擬風(fēng)能裝置 1300mm×1100mm×2600mm

實(shí)訓(xùn)柜（4個(gè)） 3200mm×650mm×2000mm

(2)、場(chǎng)地面積：25平方米

三、 各單元介紹

1、 模擬風(fēng)能裝置

(1)、 模擬風(fēng)能裝置的組成

模擬風(fēng)能裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵、側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)、直流電動(dòng)機(jī)、塔架和基礎(chǔ)、測(cè)速儀、測(cè)速儀支架、軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、單相交流電動(dòng)機(jī)、電容器、連桿、滾輪、萬(wàn)向輪、微動(dòng)開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)等設(shè)備與器件組成。

葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵和側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)組裝成水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝在塔架上。軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、測(cè)速儀、測(cè)速儀支架、傳動(dòng)齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動(dòng)機(jī)、滾輪和萬(wàn)向輪等組成。軸流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)框罩安裝在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱體上部，傳動(dòng)齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動(dòng)機(jī)、滾輪和萬(wàn)向輪組成風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用尾舵實(shí)現(xiàn)被動(dòng)偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能。測(cè)速儀檢測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量超過(guò)安全值時(shí)，側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45o，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量過(guò)大時(shí)，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90o，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。

2、 模擬能源控制系統(tǒng)
2.1 光伏供電單元

(1)、 系統(tǒng)的組成

模擬能源控制系統(tǒng)主要由光伏電源控制單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控制單元、ARM控制單元、接口單元、西門(mén)子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調(diào)電阻、斷路器、12V開(kāi)關(guān)電源、網(wǎng)孔架等組成。如圖3所示。

(2)、 控制方式

光伏供電控制單元的追日功能有手動(dòng)控制盒自動(dòng)控制兩個(gè)狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運(yùn)動(dòng)操作。

(3)、 ARM控制單元和接口單元

蓄電池的充電過(guò)程及充電保護(hù)由ARM控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護(hù)由ARM控制單元、接口單元及繼電器完成，當(dāng)蓄電池放電電壓低于規(guī)定值，ARM控制單元輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器工作，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷蓄電池的放電回路。

2.2 風(fēng)力供電單元

(1)、 風(fēng)力供電單元的組成

風(fēng)力供電單元主要由風(fēng)電電源控制單元、風(fēng)電輸出顯示單元、觸摸屏、風(fēng)力供電控制單元、ARM控制單元、接口單元、西門(mén)子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調(diào)電阻、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。

(2)、 控制方式

風(fēng)力供電控制單元的偏航功能有手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)可變風(fēng)向操作。

可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)操作變頻器操作面板上的有關(guān)按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)可變風(fēng)量輸出。

(3)、 ARM控制單元和側(cè)風(fēng)偏航

風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輪轂將扭矩輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)快，發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而燒毀。

對(duì)于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，如果氣流與葉片分離，風(fēng)輪葉片將處于“失速"狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)因超負(fù)荷而燒毀。

對(duì)于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對(duì)葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率可穩(wěn)定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機(jī)處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多數(shù)是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側(cè)風(fēng)偏航控制使氣流與葉片分離，使風(fēng)輪葉片處于“失速"狀態(tài)，安全地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另外，還可以通過(guò)側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持恒定功率輸出。

2.3 風(fēng)力供電單元

（1） 風(fēng)力供電單元的組成

（2） 控制方式

風(fēng)力供電控制單元的偏航功能有手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)可變風(fēng)向操作。

（3） ARM控制單元和側(cè)風(fēng)偏航

2.4 蓄電池組

蓄電池組選用4節(jié)閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數(shù)：

容量 12V 24Ah

重量 1.9kg

尺寸 345mm×195mm×20mm

3、 并網(wǎng)逆變、負(fù)載控制系統(tǒng)

(1)、 系統(tǒng)的組成

逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數(shù)檢測(cè)模塊、變頻器、三相交流電機(jī)、發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。

1)、逆變電源控制單元

逆變電源控制單元主要由斷路器、+24V開(kāi)關(guān)電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子等組成。

2)、逆變輸出顯示單元

逆變輸出顯示單元主要由交流電流表、交流電壓表、接線端等組成。

3)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)主電路

逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變器、交流調(diào)速系統(tǒng)、逆變器測(cè)試模塊、發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊和警示燈組成。

逆變器的輸入由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調(diào)速系統(tǒng)由變頻器和三相交流電動(dòng)機(jī)組成，逆變器的輸出AC220V電源是變頻器的輸入電源，變頻器將單相AC220V變換為三相AC220V供三相交流電動(dòng)機(jī)使用。逆變電源控制單元的AC220V電源由逆變器提供，逆變電源控制單元輸出的DC24V供發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊使用。逆變器測(cè)試模塊用于檢測(cè)逆變器的死區(qū)、基波、SPWM波形。

(2)、 逆變器

逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類(lèi)很多, 各自的具體工作原理、工作過(guò)程不盡相同。本實(shí)訓(xùn)裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅(qū)動(dòng)+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅(qū)動(dòng)芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。

4、能源監(jiān)控管理系統(tǒng)

(1)、能源監(jiān)控管理系統(tǒng)

能源監(jiān)控與管理系統(tǒng)主要由一體機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統(tǒng)軟件、力控組態(tài)軟件組成。

(2)、 監(jiān)控系統(tǒng)功能

1)、通信

監(jiān)控系統(tǒng)與控制器、PLC、儀表進(jìn)行通信。

2)、界面

①、監(jiān)控系統(tǒng)具有主界面，模擬能源控制系統(tǒng)界面，風(fēng)力供電單元界面，逆變與負(fù)載系統(tǒng)界面，風(fēng)光互補(bǔ)能量轉(zhuǎn)換界面，分別顯示各自的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

②、模擬能源控制系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實(shí)現(xiàn)光伏電池方陣自動(dòng)跟蹤。

③、風(fēng)力供電單元界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)風(fēng)偏航控制。

④、具有光伏發(fā)電采集報(bào)表和風(fēng)力發(fā)電集報(bào)表，記錄光伏輸出電壓、電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流；逆變與負(fù)載系統(tǒng)的逆變輸出電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)并打印數(shù)據(jù)報(bào)表。

四、 主要實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容