南京研旭分布式新能源发电及微电网实验室

研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com分布式新能源发电及微电网实验室 建设方案 南京研旭电气科技有限公司 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 2 1. 背景介绍 42. 系统总体方案阐述 .42.1 系统概述 42.1.1 系统功能与特点 .52.2系统架构 . 63 系统主要部件技术说明及特点介绍 .83.1 光伏发电系统（开放式） .83.1.1 多晶硅光伏板 83.1.2 光伏电池阵列模拟电源 . 93.1.3 光伏三相逆变器 103.1.4 实验例程和项目 123.1.5 光伏逆变器开源软硬件资料 .123.2 风力发电系统—直驱式永磁模拟系统（开放式） 143.2.1 直驱风力发电实验仿真平台组成 14 3.2.2 直驱风力发电实验仿真平台工作原理 153.2.3 低电压穿越功能 233.2.4 直驱风力发电实验仿真平台实验 243.2.5 直驱风力发电实验仿真平台开放资料 243.3 风力发电系统—双馈式永磁模拟系统（开放式） 273.3.1 双馈风力发电实验仿真平台组成 273.3.2 双馈风力发电实验仿真平台工作原理 283.3.3 低电压穿越功能 373.3.4 双馈风力发电实验仿真平台实验 383.3.5 双馈风力发电实验仿真平台开放资料 383.4 风力发电系统—5kw水平风机发电系统 403.4.1 2kw水平轴风力发电机 413.4.2 风机控制器（含卸荷器） .423.4.3 风机并网逆变器 44 3.4.4 环境气象监测仪 453.5 可编程 RLC负载 473.5.1 可编程 RLC负载特点 . 473.5.2 可编程 RLC负载参数 . 483.6 交流充电桩系统 493.6.1 功能特点 .493.6.2 主要技术参数 493.6.3 系统组成 .503.6.4 工作原理 .503.7 储能系统 513.7.1 储能 DC-AC 双向变流器（PCS） 513.7.2 磷酸铁锂电池模组 543.7.3 超级电容模组 553.7.4 双向 DC-DC 变流器 57 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 3 3.7.5 电池 BMS管理系统 593.8 微电网中央控制器 .603.8.1 技术特点 .604 微电网能源与管理系统 624.1 系统特点 634.2 SCADA 平台 .644.3 实时数据库 664.4 微电网运行策略 674.5 微电网负荷预测应用 .694.6 微电网发电功率预测应用 .704.7 软件开放资料 705 微电网配电系统 .71 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 4 1. 背景介绍 随着光伏、风电等可再生能源发电技术的发展，分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、提高能源综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径，并在配电网中得到广泛的应用。但分布式发电的大规模渗透也产生了一些负面影响，如单机接入成本较高、控制复杂、对大系统的电压和频率存在冲击等。这限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优势和潜能。微网技术为分布式发电技术及可再生能源发电技术的整合和利用提供了灵活、高效的平台。 微电网系统被视为未来智能电网的最重要一环，可以有效地实现电网侧电力能量 的转移，实现能量的削峰填谷。微网技术的应用是在传统电力系统生产模式基础上增加一个存储电能的环节, 使得原来几乎完全刚性的系统变得柔性起来，可以让整个电网系统运行更加合理，在用电高峰期，微网系统可以为负载提供能量；在负荷低谷期， 微网系统可以将电网中多余的能量存储起来。另外，在智能电网系统中，许多分布式电源会硬性的将产生的电能输送给电网，电网智能被动承受，因此分布式电源输出的电能质量很大程度影响着电网系统。增加微网系统，可以有效的调节系统中的有功、无功，对电网中电能质量改善起到一个调节器的作用。2. 系统总体方案阐述 2.1 系统概述本系统支持并网和孤网两种运行模式。在并网工作模式下，与中、低压配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换。在外部电网故障情况下，可转为孤网运行模式，继续为微网内重要负荷供电，提高重要负荷的供电可靠性。通过采取先进的控制策略和控制手段，可保证微网高电能质量供电，也可以实现两种运行模式的无缝切 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 5 换。2.1.1 系统功能与特点1）可实现实际光伏、模拟光伏，实际风电、模拟风电、蓄电池、超级电容、模拟负载、充电桩等多种一次侧设备的互联，各个设备都单独可控，通过 61850 规约，实现四遥数据的控制。 2）可实现智能并离网（并网与孤岛状态）切换，既可以并网运行，也可以孤网运行，实现无缝切换，且多种运行模式相互自动或手动方式切换。各子系统可以独立完成相关的实验。 3）微电网系统与大电网并网点的功率大小及方向可调可控。可实现快速平滑光伏发电、风机发电、负荷变化等造成的功率波动。将接入微电网的负荷进行分级管理实时监测、显示、记录微网系统的工作状态，具有本地监控和远程监控两种控制方式 4）配备能源管理系统，具备能源管理和策略调度的功能，同时具备各种上层应用功能，可实现负荷预测等功能； 5）系统中既包含交流母线，又具备直流母线，两种母线混合在一起，可提供更多的研究实验和更灵活的能量管理策略。 6）配置保护和计量装置，在微电网内部故障、外部故障情况下，均保证其准确、 快速动作，使系统安全运行。 7）开放相关接口,控制器软、硬件可以根据项目具体情况进行配置、实施，以适应各种项目需求。用户也可以通过远程通信的方式，自主对项目运行参数进行配置、调节，便于用户进行设备替换和设备老化调整。 8）提供整体的系统的基础开发平台，方便用户二次开放，提供详细而丰富的培训 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 6 课程，使用户可快速入门并掌握整体系统，大大提高科研实验的效率。 9）开放部分一次侧设备的软硬件资料，包括逆变器的板级硬件原理图、pcb 以及软件底层驱动源代码、算法源代码等，开放上位机软件的源代码程序。2.2 系统架构系统由真实风电系统、真实光伏发电系统、模拟风电系统（直驱式和双馈式）、模拟光伏系统、储能系统（锂电池和超级电容）、微电网中央控制系统、可编程 RLC三相负载，环境监测仪、充电桩，配电与保护系统，上位机能源管理系统等个主要部分组成，系统的整体架构图如图 1 所示： 图 1交直流混合微电网系统整体架构 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com3 系统主要部件技术说明及特点介绍3.1 光伏发电系统（开放式）光伏发电系统部分主要包括： a) 5kw 光伏组件b) 5kw 光伏三相并网逆变器 c) 5kw 光伏PV 模拟源d) 实验例程和项目e) 光伏变流器开源软硬件资料3.1.1 多晶硅光伏板系统由 20 块 250w 多晶硅光伏组件板组成，10 串 2并，组成 5kw系统。1）电池片：采用高效的晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。2）玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度 3.2mm,在太阳电池光谱响 应 的 波 长 范 围 内 (320-1100nm)透光率达 91%以上，对于大于 1200 nm 的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。3）EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为 0.78mm 的优质 EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT 之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 9 4）TPT：太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。5）边框：高强度铝合金边框，抗机械冲击能力强。基本参数： 序号 项目名称 250Wp 多晶硅电池组件1 最大输出功率 250Wp 2 规格尺寸 1650*992*40 毫米3 转化效率 17.8%4 材料 钢化玻璃 +铝型材5 工作电流 8.28A6 工作电压 30.2V7 峰值电压 10 年3.1.2 光伏电池阵列模拟电源 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 10 1) 功率容量为 5KW，直流电压 0-600V，电流 0-10A。2) 可模拟太阳能电池板输出特性3) 可模拟不同光照和温度下的 I-V 曲线4) 可测试静态和动态下的 MPPT 情况5) MPPT 工作点实时显示于上位机软件上6) 具有恒功率模式7) 具有强大的图形化上位机软件8) 稳压精度高、纹波电压低 9) 动态稳定性用 Matlab 仿真优化10)采用高速 DSP 进行 PID 运算，直接输出 PWM3.1.3 光伏三相逆变器光伏三相并网逆变器通过三相变压器隔离升压并网，实现光电池最大功率跟踪控制和并网电流控制。原理框图如图 2 所示。 图2 光伏平台示意图 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 11 研旭光伏发电仿真平台主要由 IPM 逆变功率单元、DSP 主控单元、监控中心、电抗器、变压器等几部分组成。系统的核心为 DSP 主控单元，其主要功能是：1、将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能，并馈送给主网，同时会监测各类故障信息，实时保证正常工作； 2、根据反馈值跟踪直流源（光伏组件或者光伏模拟源）的最大功率输出（MPPT）；3、将系统工作的所有信息上传至监控中心。其他特性：并网逆变器使用三菱 IPM，电流 50A，耐压 1200V，母线使用 500V 电解电容 网侧并网升压三相变压器，变比 380/120，初级次级星形联结方式。并网逆变器采用 TI 浮点 DSP 进行控制，使用一套研旭 TMS320F28335 的DSP 控制板。采用一台研旭 YX—XDS100v3 仿真器完成系统控制算法的调试。5kw 逆变器参数 项目名称 5KW 并网逆变器隔离方式 工频变压器最大直流输入功率 5.5KWP最大直流输入电压 600V输入 MPPT 电压范围 250～600V最大阵列输入电流 25A额定交流输出功率 5KW总电流波形畸变率 0.99最大效率 95%适配电网 三相 380V允许电网电压范围 380±10%使用环境温度 -22℃~ +55℃冷却 强制风冷 参考尺寸 mm(宽 x高 x 深) 600×1800×800参考重量 100kg防孤岛效应 当电网失压时，防孤岛效应保护时间＜2S保护功能 电网保护、直/交流过压及欠压保护、交流过/欠频保护、极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地故障保护以及报警功能等 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 12 无人值守 全自动识别日照变化，自动运行与停机待命3.1.4 实验例程和项目基础实训实验1) 光伏的 I-U 特性测试实验2) 光伏的输出功率特性实验3）光伏监控中心软件操作实验4）PWM 输出实验5）直流电压、电流采集实验6）交流电压、电流采集实验7）并网逆变器安全保护和设计实验8）并网逆变器通讯测量实验9）孤岛效应实验10）实验数据保存实验 进阶开放实验：1）光伏控制策略及编程实验2）最大功率跟踪 MPPT 原理及控制实验3）外环电压 PI 算法及控制原理实验4）内环电流 PI 算法及控制原理实验5）SVPWM 算法原理实验 图 3 光伏 平 台监 控 软件截图 3.1.5光伏逆 变器开源软硬件资料 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 13 仿真监控软件源代码 上位机监控系统软件程序 光伏监控平台开放全部源代码和使用说明。原理图及 PCB图 系统所有硬件电路图 提供全套系统的硬件图纸，原理图提供PROTEL99SE SCH 格式，PCB 图提供 PDF 格式。包括控制核心板、控制底板、信号采集板、IPM 驱动板。软件驱动 各模块底层驱动代码 底层驱动包括系统初始化、PWM、ADC、SCI、QEP、GPIO 等。 软件工程框架 DSP 软件工程 DSP软件工程包括CCS工程源代码、ADC采集、PWM 输出、RS485 MODBUS RTU通信、GPIO 控制、SVPWM 算法静态库、MPPT算法库、各类保护方法等。液晶显示程序 ARM7 软件工程 ARM7 软件工程中所有源代码全部开放 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 14 3.2 风力发电系统—直驱式永磁模拟系统（开放式）直驱式风力发电系统主要包括: 1）5.5kW 三相异步电机、5.5kw 三 相永磁发电机、槽钢底座 2）7.5kw ABB 矢量变频器3）5kW 风机背靠背整流逆变柜4）实验例程和项目5）变流器开源软硬件资料 3.2.1 直驱风力发电实验仿真平台组成直驱风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成： 永磁直驱风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成： 矢量变频器和三相异步调速电机来模拟实际的风力机； 三相异步调速电机通过联轴器带动永磁直驱发电机发电； 发电机定子输出连接可控整流器，将发电机发出的三相交流电整流成直流电； 并网逆变器直流输入连接可控整流器直流输出，将直流电逆变为符合并网要求的三相交流电，馈入主网；  监控前台，主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成，实现对变频器、整流器、逆变器等设备的数据监控以及记录保存； 风速调速器设备，主要目的就是实现定桨距角变速恒频的最大发电功率追踪； 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 15 图 2-1 直驱风力发电平台系统设备示意图3.2.2 直驱风力发电实验仿真平台工作原理变频器 变频器带动三相异步电机，可以有两种模式，一种为标量控制，即V/F 模式，此种模式无法实现发电功率最大追踪，只是当发电机转速越快，发电功率越大；另外一种为矢量控制，即转矩控制，此种模式变频器按照特定转矩送给电机，当电机运行至最佳速度时，发电功率可以达到最大值。当桨距角和叶片半径一定时，风能利用系数只与叶尖速比相关，根据上位机设定的风速值，可以获得最佳转速值和对应的转矩值。 将转速值发给可控整流器，转矩值发给变频器，这样就实现了功率最大追踪，即 MPPT功能。 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 16 对托机组 机组由三相异步调速电机、联轴器、永磁同步发电机组成。其中三相异步电机采用 2 对级，额定转速 1500r/min。永磁同步发电机为研旭专门定制发电机，额定频率为 100HZ，4对级，额定转速为 1500r/min。背靠背控制器 类似于有刷双馈风力发电系统，连接发电机定子的PWM 变换器称为定子 PWM 变换器，连接电网的 PWM 变换器称为并网PWM 变换器。一般情况下定子 PWM 变换器工作在整流状态（因此又称之为 PWM 整流器,简称整流器），并网 PWM 变换器工作在逆变状态 （因此又称之为 PWM 逆变器，简称逆变器）。PMSG 发出的电能经定子 PWM变换器转换为直流电，中间直流母线并联大电容起稳压和能量储存缓冲的作用，最后经过并网 PWM变换器转换为与电网同频的交流电馈入电网，并网 PWM 变换器与定子 PWM 变换器本休结构上完全相同，控制方案如图 1 所示。 PWM 变换器可以根据需要工作在整流状态或逆变状态，能量可以双向流动（对双馈风力发电系统是必需的，但直驱式并网并不需要这种功能），定子侧电流和网侧电流的大小和功率因数都是可调的，整个双 PWM 变换器可以工作在四象限状态。在具体运行中，两个 PWM 变换器各司其职，根据控制算法的不同其功能略有不同。 无论哪种算法，定子 PWM变换器一般是采用转子磁链定向，控制 PMSG 的定子电流呈正弦波形实现转速和功率因数调节；并网 PWM 变换器采用电网电压矢量定向，将直流电逆变为良好的正弦波形实现并网和有功/无功解耦。直流母线电压可以由定子PWM 变换器控制也可以由并网 PWM 变换器控制，保持为比电网幅值高的稳定值（这样才能保证能量流动的方向， PWM 整流可以升压）以便往电网输送能量。如果由定子 PWM 变换 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 17 器控制直流母线电压，则并网 PWM 变换器要担负最大风能跟踪的任务，必须根据风速控制 PMSG 转速或根据转速控制并网电流；如果由并网 PWM变换器控制直流母线电压，则定子 PWM 变换器要担负最大风能跟踪的任务，一般根据此时的风速控制 PMSG 转速到达最佳转速。能量流动一般是从 PMSG 流向电网，此时PMSG 工作于正常的发电状态；但在 PMSG 起动时能量可以从电网流向 PMSG，使 PMSG 工作在电动状态快速起动。 PMSWG 定子PWM变换器 并网PWM变换器 交流电网基于转子磁链定向的矢量控制 发电机功率因数调节 发电机转速控制 最大风能跟踪 基于电网电压定向的矢量控制有功/无功解耦控制并网控制最大风能跟踪直流母线电压控制有功功率 dcu*dcu +-,abcs abcsu i-+* *,abcs abcsu i2r/3s* *,dqs dqsu i - 3s/2r,abcg abcgu i * *,abcg abcgu i+ * *,dqg dqgu i有功功率无功功率 有功功率无功功率图 3-1 直驱式风力发电系统运行控制方案调速器 调速器配合上位机、整流器、变频器实现定桨距变速恒频发电机功率最大追踪。上位机给出桨距角、叶片半径、转动惯量等值后，调速器会根据最大风能利用系数推到出对应的发电机转速和变频器输出转矩，进而实现MPPT过程。 监控前台 监控前台上位机应用软件为用户提供了可视的操作界面，主要包括三大功能，分 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 18 别为风速模拟功能、实时监控功能、历史保存功能。其主界面如下图 3-4 所示： 图 3-4 监控系统界面图风速模拟功能 图 3-5 风力发电风速模拟界面图风力发电风速模拟界面，见上图 3-5 所示，用户可以设定桨距角、叶片半径、转 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 19 动惯量等值。接下来设定风速曲线表，一共有 20组数据，然后可以随便调整风速变化时间。最后可以通过拟合按钮，查看风速与功率的对应曲线关系图，见下图 3-6 所示： 图 3-6 风速与功率的对应曲线关系图风力发电风速模拟界面，用户可以通过表头方式查看风速、发电机的转速、转矩以及发电功率的变化情况。实时监控功能 图3-7 监控界面监控界面可以查看励磁变频器、双向变流器以及双馈电机运行的各类瞬时参数， 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 20 包括 直流母线电压； 直流母线电流； 电网电压； 网侧双向变流器交流电流； 直流功率； 网侧双向变流器的交流功率； 网侧双向变流器的功率因数；  电网频率； 机柜内部的温度； 电机的转速； 转子电流； 定子并网电流； 定子并网功率； 定子并网功率因数； 监控软件中还具备算法研究界面，即电网定向矢量算法。通过以下图 3-11 所示界 面用户可以非常清晰的了解算法的结构，同时可以获取每个步骤的计算结果值，以便仿真分析。试验者可以在下面界面输入有功率电流、无功电流的值，查看定子并网的实际情况。 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 21 图 3-11 机侧 PWM 实验界面历史保存功能 该应用软件采用SQL 数据库对系统所有有效数据进行保存。这样用户就可以通过数据库访问到实验过程中所有数据的变化情况，以便分析实验结果。数据库可以通过联机方式进行访问，我们只需在本地主机安装数据库，在相同的网络中，所有节点都可以访问此数据库。 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 22 图 3-12 登陆界面 图 3-13 数据库界面 1 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 23 图 3-14 数据库界面2 图3-15 数据库中原始数据3.2.3 低电压穿越功能双馈变流器配备有低电压穿越的功能，支持双馈风机的低电压穿越实验。低电压穿越测试按照下图3-16曲线进行测试，测试系统在每个测试点能够不脱网运行。 图3-16 机组低电压穿越图示 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 24 3.2.4 直驱风力发电实验仿真平台实验1、认知实验： 对整体系统组成拓扑和工作原理的熟知，为后面实验提供基础；2、三相交流负载实验： 验证三相交流电网特点，以及熟悉带载特性，另外就是熟悉整流器柜内部的接线； 3、三相异步调速电机电动实验： 认知三相异步电机工作原理；4、变频器输出实验： 掌握变频器操作流程以及工作原理；5、自然风模拟实验： 了解变频器的操作方法，掌握上位机软件操作流程；6、永磁同步发电机带载实验： 了解永磁同步发电机原理与特性，了解永磁同步 发电机转速与电压的对应关系；7、永磁直驱风力发电仿真平台并网实验： 了解永磁直驱发电机发电原理，发电过程；8、主从控制机制： 为了更加有效的配合教学，系统还支持主从机控制模式，即当教师机（主机）释放权利后，学生机（从机）才能获得控制权利。一旦教师机收回权利，那么学生机只能具有检测功能，而不具备控制功能。9、低压穿越实验： 当电网跌落后，发电机发电系统保证不能立刻脱网，要具备保持继续往电网输送能力的能力。这个实验要求实验室具备电网模拟器设备。 10、创造性实验： 通过对以上实验的熟知以及对原理的掌握，加入自己的优化控制策略或者算法，使系统按照用户的要求运行。如改进型 SVPWM、将PID 控制模型换位滑模控制模型或模糊控制模型，等。3.2.5 直驱风力发电实验仿真平台开放资料1、变频器：操作说明书 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 25 2、整流柜： 整体布线 CAD 图、PDF图； DSP 控制核心板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、内部运行源代码工程（内含算法静态库）、设计原理说明文档； 控制底板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； 继电器板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； IPM 隔离电源板：protel 99se原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； 算法设计说明文档； 3、逆变柜： 整体布线 CAD 图、PDF图； DSP 控制核心板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、内部运行源代码工程（内含算法静态库）、设计原理说明文档； 控制底板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； 继电器板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； IPM 隔离电源板：protel 99se原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档； 算法设计说明文档； 4、监控前台： 上位机应用软件安装文件； 数据库安装文件； 上位机 DEMO 例程； 操作说明； 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 26 5、调速器 实验操作说明文档； 原理介绍文档；6、整体系统 实验操作手册； 整体系统现场培训开放内容列表：仿真监控软件源 代码 上位机监控系统软件程序 风机和光伏监控平台开放全部源代码和使用说明。风机模拟调速软件 风机模拟调速软件 风机模拟调速软件源代码硬件的原理图及PCB 图 系统所有硬件电路图 提供全套系统的硬件图纸，原理图提供PROTEL99SE SCH 格式，PCB 图提供 PDF 格式。包括控制核心板、控制底板、信号采集板、IPM驱动板。软件驱动 各模块底层驱动 代码 底层驱动包括系统初始化、PWM、ADC、SCI、QEP、GPIO 等。软件工程框架 DSP 软件工程 DSP软件工程包括CCS工程源代码、ADC采集、PWM输出、RS485 MODBUS RTU通信、GPIO 控制、SVPWM 算法静态库、MPPT 算法库、各类保护方法等。 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 27 液晶显示程序 ARM7 软件工程 ARM7 软件工程中所有源代码全部开放3.3 风力发电系统—双馈式永磁模拟系统（开放式）双馈式风力发电系统主要包括: 1)5.5kW 三相异步电机、5.5kw 双 馈发电机、槽钢底座 2)7.5kw ABB矢量变频器 3)5kW 风机背靠背变流柜4)实验例程和项目5)变流器开源软硬件资料3.3.1 双馈风力发电实验仿真平台组成双馈风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成： 矢量变频器和三相异步调速电机来模拟实际的风力机； 三相异步调速电机通过联轴器带动双馈发电机发电； 发电机转子连接交流励磁变频器，通过励磁变频器对转子的控制，实现定子 的并网； 双向变流器与励磁变频器通过直流母线连接，实现能量双向流动的目的，即可为转子提供励磁电流，也可以吸收转子产生的转差功率； 监控前台，主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成，实现对变频器、励磁变频器、双向变流器等设备的数据监控以及记录保存； 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 28  风速调速器设备，主要目的就是实现定桨距角变速恒频的最大发电功率追踪 ； 图 3-1 双馈风力发电平台系统设备示意图3.3.2 双馈风力发电实验仿真平台工作原理变频器 变频器带动三相异步电机，可以有两种模式，一种为标量控制，即V/F 模式，此种模式无法实现发电功率最大追踪，只是当发电机转速越快，发电功率越大；另外一种为矢量控制，即转矩控制，此种模式变频器按照特定转矩送给电机，当电机运行至最佳速度时，发电功率可以达到最大值。当桨距角和叶片半径一定时，风能利用系数只与叶尖速比相关，根据上位机设定的风速值，可以获得最佳转速值和对应的转矩值。 将转速值发给可控整流器，转矩值发给变频器，这样就实现了功率最大追踪，即 MPPT功能。 对托机组 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 29 机组由三相异步调速电机、联轴器、双馈发电机组成。其中三相异步电机采用 3对级，额定转速 1000r/min。双馈发电机采用 3对级，额定转速 1000r/min。背靠背控制器 背靠背控制器由机侧 PWM励磁变频器和网侧 PWM 双向变流器组成。机侧 PWM励磁变频器主要目的就是为转子绕组提供励磁电流，其内部采用 DSP 控制器，运行电网电压定向矢量控制模型。其控制算法框图如下图3-1 所示： 图 3-1 电网电压定向矢量控制PWM励磁变频器在系统中控制非常关键。双馈电机的变速运行是通过 PWM 励磁变频器在电机转子绕组中施加三相低频交流电实现的。调节励磁电流频率，可以确保定子侧输出频率保持恒定；采用矢量控制技术，调节励磁电流的幅值和相位，可以确保定子侧有功功率以及无功功率的控制互 研旭新能源科技有限公司： http://www.yanxupower.com 30 步干扰；当风速变化引起发电机的转速 n 变化时，应控制转子电流的频率 fs使得定子输出频率 f1 保持恒定，器关系如下所示: 当发电机的转速n2 低于定子磁场的同步旋转速度 n1时，发电机处于次同步速度运行（如图 3-2 所示），此时变频器应向发电机转子提供正序励磁电流。从功率角度来说，电机轴上功率 PM 和转子输入功率Pr 都以电磁功率的形式传递到定子侧，再回馈给电网PS。当发电机转速n2 高于定子磁场的同步旋转速度 n1 时，发电机处于超同 步速度运行（如下图 3-3 所示），此时变频器应向发电机转子提供负序励磁电流，保证定子磁场旋转速度与转子速度一致。从功率角度来说，就是电机轴上功率 PM，一部分转化为转差功率 Pr 通过转子侧变频器回馈到电网，另一部分转化为电磁功率，由定子回馈到电网上，定子输出功率为 PS 图 3-2 发电机处于次同步运行