TYXNY-F1大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)平臺

一、概述
大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)平臺參照兆瓦級風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，具有形象的物理仿真對象，創(chuàng)造了良好的實訓(xùn)環(huán)境，包括一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬對象和四臺控制柜。
1、風(fēng)機(jī)對象模型（MW級見機(jī)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)主動偏航和獨立變槳功能）；
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)換儲存控制系統(tǒng)、風(fēng)能變流器系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的控制過程實訓(xùn)和風(fēng)機(jī)的整機(jī)運行演示?？捎糜诼殬I(yè)院校學(xué)生的風(fēng)力發(fā)電電動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)。
實訓(xùn)平臺各部分通過電纜連接，可組成一套既能演示又能動手設(shè)計、安裝、調(diào)試的風(fēng)力發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)。
二、大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)設(shè)備組成
大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)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(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲存控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)和能源監(jiān)控管理系統(tǒng)六個部分組成。大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)平臺采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實訓(xùn)平臺、風(fēng)力發(fā)電實訓(xùn)平臺。
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
實訓(xùn)柜（4個）  3200mm×650mm×2000mm
2、場地面積：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)、直流電動機(jī)、塔架和基礎(chǔ)、測速儀、測速儀支架、軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、單相交流電動機(jī)、電容器、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關(guān)和接近開關(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、測速儀、測速儀支架、傳動齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動機(jī)、滾輪和萬向輪等組成。軸流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)框罩安裝在風(fēng)場運動機(jī)構(gòu)箱體上部，傳動齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動機(jī)、滾輪和萬向輪組成風(fēng)場運動機(jī)構(gòu)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用尾舵實現(xiàn)被動偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大電能。測速儀檢測風(fēng)場的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量超過安全值時，側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)動作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量過大時，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于制動狀態(tài)。
2、模擬能源控制系統(tǒng)
（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、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調(diào)電阻、斷路器、12V開關(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控制盒自動控制兩個狀態(tài)，可以進(jìn)行手動或自動運行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運動操作。
3)、ARM控制單元和接口單元
蓄電池的充電過程及充電保護(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控制單元輸出信號驅(qū)動繼電器工作，繼電器常閉觸點斷開，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和自動兩個狀態(tài)，可以進(jìn)行手動或自動可變風(fēng)向操作。
可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)實現(xiàn)。手動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)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快，發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而燒毀。
對于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，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)不會因超負(fù)荷而燒毀。
對于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，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，還可以通過側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)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和自動兩個狀態(tài)，可以進(jìn)行手動或自動可變風(fēng)向操作。
可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)實現(xiàn)。手動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)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快，發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而燒毀。
對于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，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)不會因超負(fù)荷而燒毀。
對于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，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，還可以通過側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持恒定功率輸出。
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)檢測模塊、變頻器、三相交流電機(jī)、發(fā)光管舞臺燈光模塊、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(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)光管舞臺燈光模塊使用。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區(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，逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同。本實訓(xùn)裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅(qū)動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅(qū)動芯片單元、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、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，實現(xiàn)光伏電池方陣自動跟蹤。
③風(fēng)力供電單元界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(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(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)報表。
四、主要實驗實訓(xùn)內(nèi)容
1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性仿真
2、變槳原理及實訓(xùn)
3、偏航原理及實訓(xùn)
4、解纜系統(tǒng)原理實訓(xùn)
5、并網(wǎng)逆變器工作原理實訓(xùn)
6、并網(wǎng)逆變器參數(shù)設(shè)置與電能質(zhì)量分析
7、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行與調(diào)試
8、能源監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計