风力发电教学实验指导书.docx

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风力发电教学实验指导书

大型风力发电缩比模型

实验指导手册

实验一：

认识实验

实验二：

风速模拟及风速与输出功率实验

实验三：

大型风力发电机缩比模型自动运行演示实验

实验一：

认识实验

实验目的：

通过认识大型风力发电缩比模型，了解风力发电机组的各部分组成及基本功能。

实验内容：

1、实验台结构

本实验台由操作台、电气控制柜、执行平台、配电柜四部分组成。

操作台为人机交互平台，其中包括操作按钮以及显示器面板。

电气控制柜为电气元件安放平台，其中电源部分和控制部分。

执行平台由直流拖动电机和交流双馈发电机以及相应的机械结构组成。

实验一：

风速模拟实验

模拟风源电源以及调节系统：

系统配备的一个模拟风源，且其输出的风速大小可以无极调节，主要用于大型风力发电机自动运行状态下模拟室外风源，来进行跟风偏航、变浆等试验。

其在操作台上的控制如图：

按下“风机电源”打开模拟风源，调节风机转速电位器可对其输出风速进行调节，推动支架结构可对风向进行调整（注意向一个方向旋转最多2圈，防止绕线）

电气柜硬件说明

电气柜为本设备的主要控制机构，其包括了断路器、PLC、变流器、驱动器、接触器、继电器、开关电源、电流互感器、电压互感器等等。

电气柜内元器件安装位置图

断路器、空气开关

断路器为设备的供电电源开关器件，其位置如下：

操作台供电空气开关

系统总电源开关

变流器

变流器为VACON变流器，其为发电机运动的直接控制单元，其由整流器INU和逆变器AFE组成。

变流器的主要作用与组成：

变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。

包括整流器（交流变直流）、逆变器（直流变交流）。

变流器除主电路（分别为整流电路、逆变电路、交流变换电路和直流变换电路）外，还需有控制功率开关元件通断的触发电路和实现对电能的调节、控制的控制电路。

变流器的触发电路包括脉冲发生器和脉冲输出器两部分。

前者根据控制信号的要求产生一定频率、一定宽度或一定相位的脉冲；后者将此脉冲的电平放大为适合变流器中功率开关元件需要的驱动信号。

触发电路按控制的功能可分为相控触发电路（用于可控整流器、交流调压器、直接降频器和有源逆变器）、斩控触发电路和频控触发电路。

采用正弦波的频控电路不仅能控制逆变器的输出电压，还能改善输出电压的质量。

变流器的控制电路按控制方式分开环控制电路和闭环控制电路。

其外形如图所示：

本设备主要采用直流拖动电机来带动交流双溃发电机来进行旋转发电，直流拖动电机与双溃发电机采用1:

1轴直接连接，所以调节直流电机的转速就可改变双溃发电机的转速，我们用直流电机的转速来模拟风速的大小，通过调节不同的直流转速来模拟各种风的类型，比如基本风（电机恒速运行）；随机风（电机转速按照固定的公式计算给定）；渐变风（电机转速逐渐增大或者减小）；阵风（电机转速在恒速状态下突然增大）。

驱动器如下图：

电抗器：

原动机部分

原动机为执行平台的主要组成部分，其功能为作为拖动电机给发电机提供一定的转矩与转速来模拟风速并且通过齿轮箱为轮毂提供相应的风速。

主要的组成为拖动电机、齿轮箱和编码器等。

其外形如图所示：

编码器

编码器为执行机构中的重要组成部分，拖动电机侧编码器为测量拖动异步电机转速，然后反馈给变频器。

其外形如图所示：

发电机

发电机为执行平台的主要组成部分，其功能是通过拖动电机拖动进行发电。

其外形如图所示：

双馈发电机

液压站系统

液压站是由液压泵、驱动用电动机、油箱、溢流阀等构成的液压源装置或包括控制阀在内的液压装置。

按驱动装置要求的流向、压力和流量供油，适用于驱动装置与液压站分离的各种机械上，将液压站与驱动装置（油缸或马达）用油管相连，液压系统既可实现各种规定的动作。

本实验台中，液压站的主要作用是为高速轴刹车提供动能。

偏航系统

风力发电偏航系统主要由感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等部分组成。

风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

偏航大齿轮

偏航电机

偏航限位开关

执行平台（模拟风力发电机组）硬件组成说明

执行平台为实验台设备的最终执行机构，它是由发电机设备、原动机设备、变浆系统、液压系统以及偏航系统等组成。

实验目的：

通过调节直流电机转速来模拟不同的风速。

实验原理：

操作者可以对风速的几种模型进行选择，其中包括基本风、阵风、渐变风、随机风。

基本风：

它在风力机正常运行过程中一直存在，基本上反映了风电场平均风速的变化，风力发电机向系统输送的额定功率的大小也主要由基本风来决定。

在试验中当操作者选择基本风时，可以对基本风进行调节输入，则直流电机将根

实验报告要求：

1用手机或相机记录缩比模型、控制柜及操作平台实物图，根据所学理论知识，在图上标注出每部分的名称及功能。

2根据自己的理解，可对部分硬件加以详细说明。

实验二：

风速模拟及风速与输出功率关系实验

实验目的：

（1）通过调节直流电机转速来模拟不同的风速。

（2）通过调节直流拖动电机转速，观察并记录多功能表PAC3200数据得出风速与输出功率关系曲线。

1风速模拟实验原理：

操作者可以对风速的几种模型进行选择，其中包括基本风、阵风、渐变风、随机风。

基本风：

它在风力机正常运行过程中一直存在，基本上反映了风电场平均风速的变化，风力发电机向系统输送的额定功率的大小也主要由基本风来决定。

在试验中当操作者选择基本风时，可以对基本风进行调节输入，则直流电机将根据操作者所给的风速进行运动。

阵风：

为描述风速突然变化的特性，可用阵风来模拟，在该时间段内风速具有余弦特性。

当操作者选择阵风时，系统将根据阵风特性进行风速变化，直流电机将跟随风速变化而变化。

渐变风：

渐变风反映风速的渐变特性，在某段时间内具有线性的变化特性。

当操作者选择渐变风时，系统将根据渐变风特性进行风速变化，直流电机将跟随风速变化而变化。

随机风：

随机风反映风速变化的随机特性。

当操作者选择随机风时，系统将根据随机风特性进行风速变化，直流电机将跟随风速变化而变化

风速模拟试验方法：

（1）打开电气柜的总断路器开关，打开操作台左侧的空气开关，打开电脑以及上位机的监控软件。

（2）登陆上位机监控软件，取得运行操作权限（按CTRL+F1出现登陆界面，账号为HSEN，密码为123456）。

在实验浏览界面选择全自动运行界面，将自动运行界面的手/自动选择开关也打至手动。

然后打开风速模拟实验界面。

（3）按下电机启动按钮，再上述监控界面分别选择基本风、阵风、渐变风、随机风，观察电机的转动情况。

（4）查找相关资料，了解各种风模型的基本算法。

2风速与输出功率曲线实验原理：

在操作者输入不同风速时，系统将会对发电机做出相应的转矩调整，从而模拟真实风机发电特性。

实验方法：

（1）选择进入风速-功率曲线实验界面。

（2）在输入风速中输入起始风速（一般以3M/S开始启动拖动）。

（3）点击‘拖动电机启动’按钮，启动拖动。

（4）点击‘发电机启动’启动按钮，启动发电机并网（一般在大于4M/S时方能并网）。

（5）改变拖动电机风速，观察记录发电机功率参数值。

也可通过功率变化曲线或点击‘多功能表监视’进入电参数监视画面进行。

（6）停机。

先停发电机侧，后停拖动侧。

点击‘发电机停止’按钮和‘拖动电机停止’按钮进入停机程序，其中发电机的停机是先减载后停机，故有一定延时。

实验报告要求：

1模拟基本风、阵风、渐变风、随机风不同风况时，写出电机的转动情况及声音变化。

2用相机或手机记录风速与输出功率关系曲线，并运用所学的理论知识对曲线随风速的变化加趋势以分析讨论。

实验三：

大型风力发电机缩比模型自动运行演示实验

实验目的：

了解真实的大型风力发电机的运行流程

实验原理：

使用大型风力发电机缩比模型的自动运行模式来模拟室外真实大风机的运行过程，对室外真实风机运行过程中的变浆、偏航、开机、发电、解缆等一系列动作进行一定程度的了解。

同时设备为全开放型，学生可自行设计控制逻辑，来进行相关的实验。

实验方法：

1、打开电气柜的总断路器开关，打开操作台左侧的空气开关，打开电脑以及上位机的监控软件。

2、将操作台上的偏航手/自动选择开关拨至自动状态，变浆手/自动选择开关拨至自动状态。

3、登陆上位机监控软件，取得运行操作权限（按CTRL+F1出现登陆界面，账号为HSEN，密码为123456），在实验浏览界面选择全自动运行界面，将自动运行界面的手/自动选择开关也打至自动。

4.打开鼓风机的电源按钮开关，调节电位器改变鼓风机的输出风速，观察上位机界面上的风速、风向监控值。

注意，在风力发电机缩比模型的旋转范围内不要站人，以免发生危险。

5、此时风力发电机缩比模型会按照设定的动作进行运行，具体流程为：

①风速>3m/s，且风向与实际位置不同------启动偏航-----偏航完成，启动变浆-----变浆完成，拖动电机启动-----拖动电机启动完毕，启动并网

②当运行状态中风速<3m/s，并网停止-------拖动电机停止------桨叶收浆

③当运行状态中风向发生变化------自动对风偏航

6、上述实验过程中，当风速>3m/s的时候会有一个延时的时间来检测风速是否持续大于或者小于3，我们把这个延时的时候已开放给用户设定，用户可根据实际情况进行相关的设定。

7、此外，设备也模拟了真实室外大风机的解缆过程，并且设定解缆的角度也对用户进行了开放，分别为一级解缆角度和二级解缆角度。

解缆的流程为：

①风速<3m/s,且设备达到一级解缆角度------发电机停止------拖动电机停止------收浆-------解缆回零度

②当风速>3m/s，且设备达到一级解缆角度----设备正常运行------设备达到二级解缆角度-----发电机停止-----拖动电机停止-----收浆------解缆回零度------偏航对风------开浆------拖动电机运转-----发电机运转

③当设备达到700度或者触发极限位置开关，将会触发报警，此时需手动将其调至零位。

8、由于实际的偏航角度具有掉电保存的功能，但是偏航停止的时候会出现一个惯性，长期使用会出现一个累积误差，所以在进行此实验的时候，我们可以先进行校准偏航零位，为了和风向仪采集的数据对应，我们一般设定正北方向为0度，校准零位的时候可以先将设备手动调节至正北方向，然后按下偏航置零即可。

9、此实验的偏航以及变浆控制逻辑都由从站西门子224PLC控制，我们开放PLC的软件程序，如客户需要进行开发新的流行控制，则客户需自己编写程序，然后下载进PLC即可。

实验报告要求：

根据所学理论知识，对风力发电机组的起动及运行过程加以分析，并用流程图的形式表示出来。