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永磁同步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)

一、概述
目前世界上大中型風力發(fā)電機組主要有兩種型式。一類是定槳距失速調(diào)節(jié)型，屬于恒速機型，一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風電機組并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)子、葉輪的變化范圍小，捕獲風能的效率低。另一類是變速變距型，一般采用雙饋電機或者永磁同步電機，通過調(diào)速器和變槳距控制相結(jié)合的方法使葉輪轉(zhuǎn)速可以跟隨風速的改變在很寬的范圍內(nèi)變化，保持*佳葉尖速比運行，從而使Cp（風能利用系數(shù)）在很大的風速變化范圍內(nèi)均能保持*大值，能量捕獲效率*大。發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器調(diào)節(jié)，變成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的電能輸送到電網(wǎng)。相比之下，變速型風力發(fā)電機具有不可比擬的優(yōu)勢。
永磁同步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)采用變速恒頻控制的永磁同步發(fā)電機組，可以完成大功率永磁風電機組的風力機模擬和運行過程演示、實驗。
二、產(chǎn)品特點
設有風力機模擬器，可以實現(xiàn)純數(shù)字模擬和物理模擬，可以設置多種類型風速模型。
全功率變流器特點：
(1) 采用矢量控制技術(shù)
(2) 雙PWM控制技術(shù)（即PWM整流、PWM逆變）
(3) 采用DSP作為核心控制芯片，具有較高的實時性
(4) 采用一體封裝的IPM模塊，更加可靠
(5) 完善的故障自診斷及可靠的保護技術(shù)
(6) 整體機構(gòu)設計緊湊、體積小節(jié)省空間
(7) 主動無功控制，根據(jù)需求進行超前或滯后補
(8) 隨機風速下的電功率平滑控制
(9) *大功率跟蹤算法
(10) 有功、無功解耦控制
三、技術(shù)性能
輸入電壓：三相四線制AC380V±10% 50Hz
工作環(huán)境：環(huán)境溫度-5℃～+40℃ 相對濕度＜85%（25℃）海拔＜4000m
裝置容量：＜5.0kVA
四、系統(tǒng)配置
    系統(tǒng)由永磁同步風力發(fā)電機組、模擬風力機控制柜、系統(tǒng)屏、全功率變流器柜、無窮大系統(tǒng)、監(jiān)控軟件六部分構(gòu)成。
（一）永磁同步風力發(fā)電機組
    發(fā)電機組由直流電動機、三相永磁同步發(fā)電機、轉(zhuǎn)速傳感器、機組固定底盤及配套件等四部分組成。
直流電動機
    直流電動機采用Z4系列國標電機，具有散熱風機，參數(shù)如下：
    (1) 額定電樞電壓：DC440V
    (2) 額定功率：4kW
    (3) 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min
三相永磁同步發(fā)電機

(1) 額定功率：3kW
(2) 額定電壓：AC380V（線電壓）
(3) 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min
(4) 額定轉(zhuǎn)矩：19N.M
(5) 極數(shù)：4極
轉(zhuǎn)速傳感器
    轉(zhuǎn)速傳感器采用1024線增量型光電編碼器，推挽輸出，精度高、抗干擾性強。
機組固定底座及配套件
    機組底座采用整體翻砂件，表面平整度高，直流電動機與永磁發(fā)電機采用橡膠連軸器軟連接，為保護學生安全，配有防護罩。底座裝設帶減震功能支撐腳，為方便機組移動裝設方向輪1只，定向輪兩只。
（二）模擬風力機控制柜
    風力機模擬柜由模擬表頭、工業(yè)一體化PC、數(shù)字直流調(diào)速器等主要元件構(gòu)成。控制柜電源進線采用漏電保護開關(guān)。
模擬表頭
    采用國標6L2系列表頭，含原動機電樞電壓表、原動機電樞電流表、系統(tǒng)進線電壓表，配三相線電壓切換顯示開關(guān)。
數(shù)字直流調(diào)速器
    采用功能強大的西門子6RA70型數(shù)字四象限直流調(diào)速器作為原動機的驅(qū)動裝置。在完成風力發(fā)電部分實驗時，作為原動機，并與監(jiān)控軟件一起模擬風力機，拖動永磁同步發(fā)電機運行。在完成永磁同步電機變頻調(diào)速實驗時，直流電動機作為發(fā)電機運行，并將電能通過調(diào)速器回饋到電網(wǎng)。額定參數(shù)如下：
    (1) *大輸出功率：6.3kW
    (2) 額定電樞電流：15A
    (3) 額定電樞電壓：420V
    (4) 額定勵磁電流：3A
    (5) 額定勵磁電壓：325V
    (6) 通訊口：RS485/232，支持USS通訊協(xié)議
工業(yè)平板電腦（IPPC）
    系統(tǒng)采用IPPC作為系統(tǒng)監(jiān)控的硬件平臺，前面板采用鋁合金材料，表面陽極氧化拉絲處理工藝，配置如下：
    (1) 顯示器：12.1寸液晶
    (2) CPU：凌動N270，1.6GHz
    (3) 主板：研華AIMB 252
    (4) 內(nèi)存：DDR2 1G
    (5) 硬盤：160G
    (6) 觸摸屏：5線電阻觸摸屏
    (7) 網(wǎng)卡：10-100M
    (8) 串口：5個
    (9) USB：4個
    (10) VGA接口：1個
    (11) PCI插槽：1個
（三）全功率變流器柜
    變流器控制柜含全功率變流器主回路和控制系統(tǒng)。
技術(shù)指標:
    (1) 額定工作電壓：380VAC
    (2) 額定處理容量：5kVA
    (3) 電流畸變率：＜10%
    (4) 直流額定電壓：650V
    (5) 功率因數(shù)：±0.9可調(diào)
    (6) 控制方式：采用DSP全數(shù)字化控制
    (7) 并網(wǎng)控制：自動軟并網(wǎng)
    (8) 電磁屏蔽措施：金屬殼屏蔽保護
    (9) 故障診斷能力：過壓、過流、過熱保護等
    (10) 冷卻方式：強制風冷
    (11) 頻率精度：±0.03Hz
    (12) 并網(wǎng)沖擊電流、電壓：＜5%
    (13) 控制誤差：＜4%
（四）智能電量監(jiān)測儀
測量三相電流，三相相/線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電量
2-31次諧波測量
四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無功電能（kVarh）
標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線方式
RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規(guī)約
（五）PLC控制器
西門子S7-200系列CPU224XP型主機。
（六）大功率三相自耦調(diào)壓器
額定容量：15kVA，原邊額定輸入三相AC380V，副邊AC 0～430V可調(diào)。
（七）監(jiān)控軟件
    監(jiān)控軟件基于北京三維力控ForceControl設計，主要包括風力機模擬器上位機界面、網(wǎng)側(cè)變流器電量監(jiān)測，全功率變流器保護狀態(tài)監(jiān)視等功能。
五、實驗項目
風力機特性離線仿真
PWSM供電的PWM整流器實驗
PWM逆變器的并網(wǎng)運行
PWM變流器的功率因數(shù)控制
PWSM風力發(fā)電系統(tǒng)的MPPT運行
風力發(fā)電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量分析
風力發(fā)電系統(tǒng)中的卸荷保護

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永磁同步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)