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永磁同步風力發電實驗系統

一、概述
目前世界上大中型風力發電機組主要有兩種型式。一類是定槳距失速調節型，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電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發電機的轉速保持在恒定的數值，繼而使風電機組并網后定子磁場旋轉頻率等于電網頻率，轉子、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，通過調速器和變槳距控制相結合的方法使葉輪轉速可以跟隨風速的改變在很寬的范圍內變化，保持*佳葉尖速比運行，從而使Cp（風能利用系數）在很大的風速變化范圍內均能保持*大值，能量捕獲效率*大。發電機發出的電能通過變流器調節，變成與電網同頻、同相、同幅的電能輸送到電網。相比之下，變速型風力發電機具有不可比擬的優勢。
永磁同步風力發電實驗系統采用變速恒頻控制的永磁同步發電機組，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、產品特點
設有風力機模擬器，可以實現純數字模擬和物理模擬，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
(2) 雙PWM控制技術（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
(6) 整體機構設計緊湊、體積小節省空間
(7) 主動無功控制，根據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、技術性能
輸入電壓：三相四線制AC380V±10% 50Hz
工作環境：環境溫度-5℃～+40℃ 相對濕度＜85%（25℃）海拔＜4000m
裝置容量：＜5.0kVA
四、系統配置
    系統由永磁同步風力發電機組、模擬風力機控制柜、系統屏、全功率變流器柜、無窮大系統、監控軟件六部分構成。
（一）永磁同步風力發電機組
    發電機組由直流電動機、三相永磁同步發電機、轉速傳感器、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，參數如下：
    (1) 額定電樞電壓：DC440V
    (2) 額定功率：4kW
    (3) 額定轉速：1500r/min
三相永磁同步發電機

(1) 額定功率：3kW
(2) 額定電壓：AC380V（線電壓）
(3) 額定轉速：1500r/min
(4) 額定轉矩：19N.M
(5) 極數：4極
轉速傳感器
    轉速傳感器采用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、工業一體化PC、數字直流調速器等主要元件構成。控制柜電源進線采用漏電保護開關。
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、系統進線電壓表，配三相線電壓切換顯示開關。
數字直流調速器
    采用功能強大的西門子6RA70型數字四象限直流調速器作為原動機的驅動裝置。在完成風力發電部分實驗時，作為原動機，并與監控軟件一起模擬風力機，拖動永磁同步發電機運行。在完成永磁同步電機變頻調速實驗時，直流電動機作為發電機運行，并將電能通過調速器回饋到電網。額定參數如下：
    (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通訊協議
工業平板電腦（IPPC）
    系統采用IPPC作為系統監控的硬件平臺，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) 內存：DDR2 1G
    (5) 硬盤：160G
    (6) 觸摸屏：5線電阻觸摸屏
    (7) 網卡：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。
技術指標:
    (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：±0.9可調
    (6) 控制方式：采用DSP全數字化控制
    (7) 并網控制：自動軟并網
    (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) 并網沖擊電流、電壓：＜5%
    (13) 控制誤差：＜4%
（四）智能電量監測儀
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）大功率三相自耦調壓器
額定容量：15kVA，原邊額定輸入三相AC380V，副邊AC 0～430V可調。
（七）監控軟件
    監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、網側變流器電量監測，全功率變流器保護狀態監視等功能。
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逆變器的并網運行
PWM變流器的功率因數控制
PWSM風力發電系統的MPPT運行
風力發電系統中的電能質量分析
風力發電系統中的卸荷保護

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