HYXNY-F1大型風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)訓平臺

一、概述
大型風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)訓平臺參照兆瓦級風(fēng)機控制系統設計，具有形象的物理仿真對象，創(chuàng )造了良好的實(shí)訓環(huán)境，包括一套風(fēng)力發(fā)電機模擬對象和四臺控制柜。
1、風(fēng)機對象模型（MW級見(jiàn)機結構，可實(shí)現主動(dòng)偏航和獨立變槳功能）；
2、能源管理、監控管理及氣象站、偏航變槳控制系統、能源轉換儲存控制系統、風(fēng)能變流器系統�？梢詫�(shí)現風(fēng)機變槳系統、電氣系統、偏航系統的控制過(guò)程實(shí)訓和風(fēng)機的整機運行演示�？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，也可用于風(fēng)電檢修工技能鑒定培訓。
實(shí)訓平臺各部分通過(guò)電纜連接，可組成一套既能演示又能動(dòng)手設計、安裝、調試的風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓系統。

二、大型風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)訓設備組成
大型風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)訓平臺臺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、能源轉換儲存控制系統、并網(wǎng)逆變控制系統和能源監控管理系統六個(gè)部分組成。大型風(fēng)力發(fā)電系統實(shí)訓平臺采用模塊式結構，各裝置和系統具有獨立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實(shí)訓平臺、風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓平臺。
1、設備尺寸： 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、機艙、尾舵、側風(fēng)偏航控制機構、直流電動(dòng)機、塔架和基礎、測速儀、測速儀支架、軸流風(fēng)機、軸流風(fēng)機支架、軸流風(fēng)機框罩、單相交流電動(dòng)機、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)等設備與器件組成。
葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵和側風(fēng)偏航控制機構組裝成水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，安裝在塔架上。軸流風(fēng)機支架、軸流風(fēng)機框罩、測速儀、測速儀支架、傳動(dòng)齒輪鏈機構、單相交流電動(dòng)機、滾輪和萬(wàn)向輪等組成。軸流風(fēng)機和軸流風(fēng)機框罩安裝在風(fēng)場(chǎng)運動(dòng)機構箱體上部，傳動(dòng)齒輪鏈機構、單相交流電動(dòng)機、滾輪和萬(wàn)向輪組成風(fēng)場(chǎng)運動(dòng)機構。
風(fēng)力發(fā)電機利用尾舵實(shí)現被動(dòng)偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機輸出最大電能。測速儀檢測風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量，當風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量超過(guò)安全值時(shí)，側風(fēng)偏航控制機構動(dòng)作，使尾舵側風(fēng)45?，風(fēng)力發(fā)電機葉片轉速變慢。當風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量過(guò)大時(shí)，尾舵側風(fēng)90?，風(fēng)力發(fā)電機處于制動(dòng)狀態(tài)。
2、模擬能源控制系統
（1）、光伏供電單元
1)、系統的組成
模擬能源控制系統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(xiàn)排、蓄電池組、可調電阻、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)運行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運動(dòng)操作。
3)、ARM控制單元和接口單元
蓄電池的充電過(guò)程及充電保護由ARM控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由ARM控制單元、接口單元及繼電器完成，當蓄電池放電電壓低于規定值，ARM控制單元輸出信號驅動(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）、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(xiàn)排、可調電阻、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)機實(shí)現。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)機轉速在0至額定轉速范圍內變化，實(shí)現可變風(fēng)量輸出。
3)、ARM控制單元和側風(fēng)偏航
風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅動(dòng)風(fēng)輪轉動(dòng)，通過(guò)輪轂將扭矩輸入到傳動(dòng)系統。當風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪轉速過(guò)快，發(fā)電機可能因超負荷而燒毀。
對于定槳距風(fēng)輪，當風(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)電機不會(huì )因超負荷而燒毀。
對于變槳距風(fēng)輪，當風(fēng)速增加時(shí)，可根據風(fēng)速的變化調整氣流對葉片的攻角。當風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率可穩定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。
小型風(fēng)力發(fā)電機多數是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側風(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)，安全地保護風(fēng)力發(fā)電機。另外，還可以通過(guò)側風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機保持恒定功率輸出。
（3）、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(xiàn)排、可調電阻、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)機實(shí)現。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)機轉速在0至額定轉速范圍內變化，實(shí)現可變風(fēng)量輸出。
3） ARM控制單元和側風(fēng)偏航
風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅動(dòng)風(fēng)輪轉動(dòng)，通過(guò)輪轂將扭矩輸入到傳動(dòng)系統。當風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪轉速過(guò)快，發(fā)電機可能因超負荷而燒毀。
對于定槳距風(fēng)輪，當風(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)電機不會(huì )因超負荷而燒毀。
對于變槳距風(fēng)輪，當風(fēng)速增加時(shí)，可根據風(fēng)速的變化調整氣流對葉片的攻角。當風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率可穩定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。
小型風(fēng)力發(fā)電機多數是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側風(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)，安全地保護風(fēng)力發(fā)電機。另外，還可以通過(guò)側風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機保持恒定功率輸出。
4）、蓄電池組
蓄電池組選用4節閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數：
容量 12V 24Ah
重量 1.9kg
尺寸 345mm×195mm×20mm
3、并網(wǎng)逆變、負載控制系統
(1)、系統的組成
逆變與負載系統主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數檢測模塊、變頻器、三相交流電機、發(fā)光管舞臺燈光模塊、警示燈、接線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)端等組成。
3)、 逆變與負載系統主電路
逆變與負載系統主要由逆變器、交流調速系統、逆變器測試模塊、發(fā)光管舞臺燈光模塊和警示燈組成。
逆變器的輸入由光伏發(fā)電系統、風(fēng)力發(fā)電系統或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調速系統由變頻器和三相交流電動(dòng)機組成，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)光管舞臺燈光模塊使用。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區、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)訓裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅動(dòng)+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅動(dòng)芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。
4、能源監控管理系統
(1)、能源監控管理系統
能源監控與管理系統主要由一體機、鍵盤(pán)、鼠標、接線(xiàn)排、電源插座、通信線(xiàn)、微軟操作系統軟件、力控組態(tài)軟件組成。
(2)、監控系統功能
1)、 通信
監控系統與控制器、PLC、儀表進(jìn)行通信。
2)、 界面
①監控系統具有主界面，模擬能源控制系統界面，風(fēng)力供電單元界面，逆變與負載系統界面，風(fēng)光互補能量轉換界面，分別顯示各自的運行狀態(tài)參數。
②模擬能源控制系統界面設置相應的按鈕，實(shí)現光伏電池方陣自動(dòng)跟蹤。
③風(fēng)力供電單元界面設置相應的按鈕，實(shí)現風(fēng)力發(fā)電機側風(fēng)偏航控制。
④具有光伏發(fā)電采集報表和風(fēng)力發(fā)電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風(fēng)力發(fā)電機的輸出電壓、電流；逆變與負載系統的逆變輸出電壓、電流、功率等數據并打印數據報表。
四、主要實(shí)驗實(shí)訓內容
1、風(fēng)力發(fā)電機特性仿真
2、變槳原理及實(shí)訓
3、偏航原理及實(shí)訓
4、解纜系統原理實(shí)訓
5、并網(wǎng)逆變器工作原理實(shí)訓
6、并網(wǎng)逆變器參數設置與電能質(zhì)量分析
7、風(fēng)力發(fā)電系統運行與調試
8、能源監控管理系統組態(tài)設計