一、概述

    目前世界上大中型风力发电机组主要有两种型式。一类是定桨距失速调节型，属于恒速机型，一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，继而使风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低。另一类是变速变距型，一般采用双馈电机或者永磁同步电机，通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的改变在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行，从而使Cp（风能利用系数）在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大。发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。相比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势。

    本实验系统采用变速恒频控制的永磁同步发电机组，可以完成大功率永磁风电机组的风力机模拟和运行过程演示、实验。

二、产品特点

1. 设有风力机模拟器，可以实现纯数字模拟和物理模拟，可以设置多种类型风速模型。
2. 全功率变流器特点：
   (1) 采用矢量控制技术
   (2) 双PWM控制技术（即PWM整流、PWM逆变）
   (3) 采用DSP作为核心控制芯片，具有较高的实时性
   (4) 采用一体封装的IPM模块，更加可靠
   (5) 完善的故障自诊断及可靠的保护技术
   (6) 整体机构设计紧凑、体积小节省空间
   (7) 主动无功控制，根据需求进行超前或滞后补
   (8) 随机风速下的电功率平滑控制
   (9) 大功率跟踪算法
   (10) 有功、无功解耦控制

三、技术性能

1. 输入电压：三相四线制AC380V±10%  50Hz
2. 工作环境：环境温度-5℃～+40℃ 相对湿度＜85%（25℃） 海拔＜4000m
3. 装置容量：＜5.0kVA

四、系统配置

    系统由永磁同步风力发电机组、模拟风力机控制柜、系统屏、全功率变流器柜、无穷大系统、监控软件六部分构成。

（一）永磁同步风力发电机组

    发电机组由直流电动机、三相永磁同步发电机、转速传感器、机组固定底盘及配套件等四部分组成。

1. 直流电动机

    直流电动机采用Z4系列国标电机，具有散热风机，参数如下：
    (1) 额定电枢电压：DC440V
    (2) 额定功率：4kW
    (3) 额定转速：1500r/min

2. 三相永磁同步发电机
   
   (1) 额定功率：3kW
   (2) 额定电压：AC380V（线电压）
   (3) 额定转速：1500r/min
   (4) 额定转矩：19N.M
   (5) 极数：4极


3. 转速传感器

    转速传感器采用1024线增量型光电编码器，推挽输出，精度高、抗干扰性强。

4. 机组固定底座及配套件

    机组底座采用整体翻砂件，表面平整度高，直流电动机与永磁发电机采用橡胶连轴器软连接，为保护学生安全，配有防护罩。底座装设带减震功能支撑脚，为方便机组移动装设方向轮1只，定向轮两只。

（二）模拟风力机控制柜

    风力机模拟柜由模拟表头、工业一体化PC、数字直流调速器等主要元件构成。控制柜电源进线采用漏电保护开关。

1. 模拟表头

    采用国标6L2系列表头，含原动机电枢电压表、原动机电枢电流表、系统进线电压表，配三相线电压切换显示开关。

2. 数字直流调速器

    采用功能强大的西门子6RA70型数字四象限直流调速器作为原动机的驱动装置。在完成风力发电部分实验时，作为原动机，并与监控软件一起模拟风力机，拖动永磁同步发电机运行。在完成永磁同步电机变频调速实验时，直流电动机作为发电机运行，并将电能通过调速器回馈到电网。额定参数如下：

    (1) 最大输出功率：6.3kW
    (2) 额定电枢电流：15A
    (3) 额定电枢电压：420V
    (4) 额定励磁电流：3A
    (5) 额定励磁电压：325V
    (6) 通讯口：RS485/232，支持USS通讯协议

3. 工业平板电脑（IPPC）

    系统采用IPPC作为系统监控的硬件平台，前面板采用铝合金材料，表面阳极氧化拉丝处理工艺，配置如下：

    (1) 显示器：12.1寸液晶
    (2) CPU：凌动N270，1.6GHz
    (3) 主板：研华AIMB 252
    (4) 内存：DDR2 1G
    (5) 硬盘：160G
    (6) 触摸屏：5线电阻触摸屏
    (7) 网卡：10-100M
    (8) 串口：5个
    (9) USB：4个
    (10) VGA接口：1个
    (11) PCI插槽：1个

（三）全功率变流器柜

    变流器控制柜含全功率变流器主回路和控制系统。

1. 技术指标:

    (1) 额定工作电压：380VAC
    (2) 额定处理容量：5kVA
    (3) 电流畸变率：＜10%
    (4) 直流额定电压：650V
    (5) 功率因数：±0.9可调
    (6) 控制方式：采用DSP全数字化控制
    (7) 并网控制：自动软并网
    (8) 电磁屏蔽措施：金属壳屏蔽保护
    (9) 故障诊断能力：过压、过流、过热保护等
    (10) 冷却方式：强制风冷
    (11) 频率精度：±0.03Hz
    (12) 并网冲击电流、电压：＜5%
    (13) 控制误差：＜4%

（四）智能电量监测仪

1. 测量三相电流，三相相/线电压、有功功率、无功功率、功率因数等电量
2. 2-31次谐波测量
3. 四象限电能计量：±有功电能（kWh），±无功电能（kVarh）
4. 标准PT、CT输入，适用于各种电压等级及接线方式
5. RS-485通讯接口，Modbus RTU通讯规约

（五）PLC控制器

西门子S7-200系列CPU224XP型主机。

（六）大功率三相自耦调压器

额定容量：15kVA，原边额定输入三相AC380V，副边AC 0～430V可调。

（七）监控软件

    监控软件基于北京三维力控ForceControl设计，主要包括风力机模拟器上位机界面、网侧变流器电量监测，全功率变流器保护状态监视等功能。

五、实验项目