双馈风力发电实验系统 JG-FN02 型大型双馈风力发电实训系统平台设备
一、产品概述
双馈风力发电实验系统采用变速恒频控制的双馈异步发电机组，可以完成大功率双馈风电机组的风力机模拟和运行操作训练。
二、产品特点
1) 模拟真实风力发电机的启动、并网、正常运行和停机过程，具备模拟机组变速调节能力，有功、无功的调节能力；
2) 风速模型不仅可设定典型几种风速曲线，支持导入实际测量得到的风速―时间数据；
3) FaceView 实验主控软件执行机组运行状态流程控制和数据记录、显示、系统监控等功能；
4) 实现风速和风力机模拟，机组并网控制，机组最大功率运行控制，机组恒速运行，机组限功率运行，机组低电压穿越，机组脱网控制等控制功能；
5) 背靠背变流器可实现直流侧电压的初始状态进行设定，实现单位功率因数并网，实现风力发电机在故障条件下不脱网运行，低电压穿越的功能，支持风机的低电压穿越实验 ;
6) 软件分析风力发电的数据与运行特性，能够显示异常时的故障原因；
7) RS485 接口，提供开放式 MODBUS 规约接入监控系统；
8) 完善的保护功能，包括过电压保护、过电流保护、过温保护、超速保护、短路保护，可以实现低电压穿越以及外接电源电压不稳定时保护实验；
注：带醒目的危险标识，如：有电危险、运行时请勿打开、严谨带电操作等。
双馈实验系统结构图
二、系统运行技术参数
2.1 工作条件
输入电压：三相四线～ 380V±10% 50Hz
装置容量：≤ 5.0kW
海拔： 0 ～ 2000m ；
环境温度： -10℃ ～＋ 50℃ ；
环境相对湿度 : 10 ～ 90%(25℃) ；
大气压力范围： 1 个标准大气压范围；
室内安装；
平台必须水平安装；
设备正常使用年限：≥ 20 年；
环境要求：环境通风良好，不含易燃、腐蚀性气体；
2.2 实验平台的基本尺寸：
实验台： 2000×400×600 ；（长 × 深 × 高， mm ）
变流器： 1000×600×1500 ；
主控柜： 800×600×1820 ；
注：实验平台分两排布置，预计占地面积 3m×3m
2.2 定制双馈变流器系统
风电变流器包括双馈风机变流器、全功率变流器和 PWM 整流器，均为我司自主研发，根据高校和研究所客户要求定制开发，具有功能完善、产品可靠、开放性强、保护严格等特点。
双馈风电机组图及变流器内部图
模拟风力发电系统的变流器由 AC-DC-AC PWM 变换器来实现，前级交流输入可选接入交流 / 直流电网，根据设定的风速，将相应能量注入到直流母线上，后级交流输出接交流母线，将输入的能量注入到配电 / 微电网。该变流器为定制产品，
根据用户的要求设计，功能特点如下：
机侧矢量控制，网侧矢量解耦 P/Q 控制；
电网电压在 -3% ～ +7% 范围内波动时能正常运行；
并网满载电流总谐波畸变率 5% 以下；
过流 / 过压 / 过温保护，分硬件保护和软件保护；
具备低电压穿越功能；
提供直流侧外接其他电气设备的接口；
支持电网不平衡度小于 10% 时正常发电运行；
支持较宽的运行速度范围： 700-2000RPM ；
5.0 kW 背靠背变流器主要指标
项目指标参数特性项目指标参数特性变流器拓扑结构双级背靠背后级控制方式稳定直流电压额定流功率 5.0kW 后级功率因数 >0.99 额定交流电流 15A 直流母线电压 600V 额定交流电压 380V 最大直流电流 22A 额定电网频率 50Hz 电流总谐波畸变率（ THD ） <3% （额定功率）允许电网频率 48 ～ 50.5Hz 最大效率 95% 前级控制方式功率控制待机状态功耗 <40W 前级功率因数 >0.99 冷却方式强迫风冷防护等级 IP21 标准通讯方式 RS485
2.3 设备主要配置参数
驱动变频器容量等级 5.5KW 电压等级 380V 电机类型异步 / 永磁同步电动机调速范围 0-2000RPM 控制方式有 PG 矢量控制，弱磁控制接口类型 RS485 控制环路速度闭环，力矩闭环精度电压、电流、转速、位置、转矩的信号测量定制变流器功率等级 5.5KW 电压等级 380V 功率拓扑二电平背靠背外形尺寸（宽 × 深 × 高， mm ） 800×600×1600 电动机额定功率 5.5KW 额定转速 1500RPM 同步转速 1800RPM 额定电压 380V 功率因数 0.9 发电机类 型双馈发电机额定功率 5.0kW 额定电压 380V 额定频率 50Hz 额定转速 1500rpm 转速范围 0-2000rpm 绝缘等级 F 级
三、双馈系统低电压穿越与实验
3.1 电网电压跌落的危害
对双馈风电机组来说：
出现的过电流会损坏电力电子器件；
DC 端过电压，将威胁直流侧元器件；
附加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件；
对电网来说：
引起电网频率降低；
引起电网线压降低；
引发联锁效应，导致大面积电网瘫痪。
3.2 低电压穿越 LVRT 定义及意义
当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。
它对系统由较为重要的意义：
风机能够不脱网持续运行；
能够对电网进行动态无功功率 Q 支撑；
有助于有功功率 P 恢复；
3.3 国内低电压穿越标准
对于低电压穿越，要求如下图所示，方案完全遵循此标准：
低电压穿越标准
并网点电压跌至 20% 额定电压时，保证不脱网连续运行 625ms ；
跌落后 2s 内恢复到额定电压的 90% 时，不脱网连续运行。
无功支撑：响应时间不大于 75ms ，持续时间不少于 550ms ；无功电流满足 IT≥1.5× （ 0.9-UT ） IN ，（ 0.2≤UT≤0.9 ）
有功恢复：故障切除后以至少 10% 额定功率 / 秒的功率恢复到故障跌落前的功率；
3.4 低电压穿越 LVRT 实验方案介绍
主要为在变流器上添加 Crowbar 和 Chopper 电路，并在变流器中进行相应控制：
Crowbar ：其响应时间短，能够保护变流器 IGBT 、吸收和衰减畸变电流和谐波电流
Chopper ：主要考虑单管吸收回路的设计，不同于 Crowbar 的投切工作方式， Chopper 装置在运行过程中会进行 100Hz 左右的斩波动作，大电流关断时的尖峰很容易导致 IGBT 过压实效。因此设计了 RCD 吸收回路和低感功率回路。
四、双馈系统实验主控软件
FaceView 实验主控软件具有风速特性模拟和风机主控功能，能模拟几种典型风速如：微风、阵风、持续大风、持续中速风、或四种风速合成特性。主控和风机模拟的参数修改权限向用户开放，用户可以自由定制风力机特性，选配接收实际的测风仪数据。主控功能实现机组并网控制，恒速运行，限功率运行，降功率运行，低电压穿越，机组脱网控制。
FaceView 监测以下参量：
风速、风轮转速；
驱动电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
发电机转子位置／速度、电流、电压、功率、输出转矩；
变流器直流电压；
网侧变流器输出电压、电流、功率；
电网电压、电流、功率。
五、开放双馈风电变流器系统（说明）
算法类的函数开放，用户可以按照自己的算法修改、调用，如整流、逆变、电机控制的 SVPWM 和低电压穿越算法。
开放内容如下：
1) 双馈变流器所有电路板硬件原理图及 BOM 表 (pdf 版本 ) ：控制板，电源板，信号板，电容板；
2) 双馈变流器柜电气原理图及 BOM 表 (pdf 版本 ) ；
3) 开放控制板的 debug 接口，客户可以烧写自己的程序；
4) 双馈变流器通讯协议 (RS485) （免费）；
5) 双馈变流器使用手册 ( 免费 ) ；
6) 双馈变流器编程手册 pdf 版；
双馈变流器软件低电压穿越算法、整流器 SVPWM 算法和电机控制 SVPWM 算法的工程源文件，包括程序主框架、硬件驱动功能、硬件配置功能、通讯功能、保护功能、编码器功能、采样功能、锁相环功能、滤波函数等。低电压穿越算法、整流器 SVPWM 算法和电机控制 SVPWM 算法用户可以修改、调用。
双馈风电实验系统现场图如下：
六、可开设实验及科研教学内容
1) 风力机模拟实验
2) 低电压穿越实验
3) 低电压穿越算法研究
4) 直流母线电压控制实验
5) 并网过程及连续实验
6) 亚同步速、超同步速运行控制实验
7) 风力发电并网功率因素调节 。 。
