一、产品概述

本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；

   10kW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。

双馈机组Crowbar

 

双馈机组Chopper

其软件部分逻辑如下：

双馈机组LVRT软件逻辑

低穿实验波形1

低穿实验波形2

低穿实验波形3

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。

风力发电模拟界面

曲线观测界面

参数设定界面

低电压实验

 

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

 实验项目表

编号	名称	学生人数	类型
1	异步电机空载实验	每套机组3~5人	设计型
2	异步电机负载实验	每套机组3~5人	设计型
3	双馈感应电机空载实验	每套机组3~5人	设计型
4	双馈感应电机负载实验	每套机组3~5人	设计型
5	风力发电机启动并网实验	每套机组5~8人	设计型
6	风力发电机正常停机实验	每套机组5~8人	设计型
7	风力发电机异常停机	每套机组5~8人	设计型
8	风力发电机正常运行实验	每套机组5~8人	设计型
9	风力发电机脱网保护实验	每套机组5~8人	设计型