開放式雙饋風力發(fā)電模擬實驗系統
隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展，諸多高校開設了新能源發(fā)電相關專業(yè)，風力發(fā)電技術作為一門主要的課程，其配套實驗設備對課程的支撐至關重要。雙饋風力發(fā)電作為風力發(fā)電的一種主要類型，從實驗角度，理解、掌握、研究其發(fā)電理論、運行特點對風力發(fā)電課程起到積極的促進作用。
但是由于客觀條件的原因，大多數實驗室并不具備風場環(huán)境或風力機，這為風力發(fā)電技術的教學與研究實驗帶來了很大的困難。清華大學電機工程與應用電子技術系電力電子與電機控制實驗室研制了開放式雙饋風力發(fā)電模擬實驗系統，用于風力發(fā)電的教學與研究實驗。
此雙饋風力發(fā)電模擬系統具有以下特點：通過一臺變頻調速三相異步電動機驅動一臺三相雙饋異步發(fā)電機，用計算機控制變頻器實現三相異步電機的轉速與轉矩調節(jié)，模擬風速變化與風力機輸出特性;設計完善的軟硬件結構與保護功能，采用DSP控制的雙PWM變流器完成并網發(fā)電過程;設計了基于LabView的上位機監(jiān)控系統，實時監(jiān)控系統運行參數，并可以分步執(zhí)行整個起機與并網過程。各部分具體功能與作用如下。
1.雙饋風力發(fā)電模擬機組
通過異步電機驅動雙饋發(fā)電機，模擬實際的雙饋風力發(fā)電機組。異步電動機用來模擬風力機，雙饋發(fā)電機端裝有位置傳感器。異步電動機和雙饋發(fā)電機安裝在同一個可移動底座上，使用聯軸器相連接，采用增量式編碼器測量發(fā)電機實時轉速。
2.風力機模擬
本裝置利用上位機控制基于直接轉矩控制的變頻器，驅動異步電動機，模擬風力機輸出特性。風速模型是風力機模擬系統中一個重要組成部分。本實驗設備采用組合風速模型，將風速分為基本風速、陣風和隨機風速四部分，分別表述自然風的規(guī)律性、突變性和隨機性特點。通過上位機設定風速參數和風力機參數，根據一定風速下風力機轉速與轉矩或功率的關系以及機械運動方程，計算出風力機輸出轉矩，將此轉矩指令通過485通訊下發(fā)給變頻器，驅動異步電動機運行模擬風力機。
3.雙饋風力發(fā)電并網變流器
研制了基于DSP2812的雙PWM變換器，用于雙饋風力發(fā)電機的并網控制。機側和網側PWM變換器可以根據需要工作在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)，能量可以雙向流動，這對于雙饋風力發(fā)電系統是必需的，定子側電流、轉子側電流和網側變流器側電流的大小和功率因數都是可調的，整個雙PWM變換器可以工作在四象限狀態(tài)。
在具體運行中，兩個PWM變換器根據控制算法的不同其功能也不同。機側變流器采用矢量控制策略，通過在雙饋電機的轉子側施加三相交流電進行勵磁，調節(jié)勵磁電流的幅值、頻率實現發(fā)電系統的順利并網和有功、無功輸出控制，實現最大風能捕獲。網側PWM變換器采用電網電壓矢量定向，通過調節(jié)網側的d、q軸電流，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現有功功率和無功功率的解耦控制，控制流向電網的無功功率，通常運行在單位功率因數狀態(tài)，也可根據電網需要提供一定的無功功率。
4.上位機監(jiān)控
上位機監(jiān)控包括參數顯示、界面切換按鈕、功能操作按鈕、數據保存和通訊部分。通過上位機可操控變頻器、網側變流器通和機側變流器，實現雙饋風力發(fā)電機并網運行。變流器合閘、斷閘、啟動網側、啟動風機、勵磁、并網、脫網等狀態(tài)通過動態(tài)的顯示于監(jiān)控畫面上，具有實時效果;各種狀態(tài)執(zhí)行條件進行自動監(jiān)測并顯示，使用戶明確系統當前運行狀態(tài);故障時，顯示故障名稱，便于用戶尋找故障并及時解決。
5.實驗內容
此雙饋風力發(fā)電模擬設備可完成如下驗證實驗：實驗一、風力發(fā)電機接線形式實驗;實驗二、空載運轉實驗; 實驗三、并網過程實驗(結合并網模塊);實驗四、并網連續(xù)運行實驗(結合并網模塊);實驗五、風速模擬實驗;實驗六、轉距模擬實驗;實驗七、發(fā)電功率模擬實驗;實驗八、其它相關發(fā)電性能及測量;實驗九、 脫網保護模擬實驗;實驗十、低電壓穿越實驗。
基于開放的軟硬件平臺，此雙饋風力發(fā)電模擬設備還可以完成自主與研究型實驗：實驗一、正常狀態(tài)下并網變流器控制策略;實驗二、電網不平衡狀態(tài)下并網電流器控制策略;實驗三、低電壓穿越控制策略;實驗四、最大功率跟蹤。
6.實驗設備系列化
目前實驗室已自制3kW、5kW、7.5kW、10kW、15kW、30kW等功率等級的系列化雙饋風力發(fā)電模擬系統，用于滿足不同的教學和科研需求。
此風力發(fā)電模擬實驗系統所有資源開放，緊密結合學科和產業(yè)發(fā)展前沿，可提供驗證型、綜合型、研究型的實驗內容，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造性和研究興趣。
作品名稱：開放式雙饋風力發(fā)電模擬實驗系統
學?；騿挝唬呵迦A大學
