一、概述

風能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比．風力發(fā)電不依賴外部能源，沒有燃料價格風險，發(fā)電成本穩(wěn)定。也沒有碳排放等環(huán)境成本，此外可利用的風能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。

該教學實驗臺是按照變速恒頻風力發(fā)電機組原理縮比設計，能在室內(nèi)無風源情況下模擬變速恒頻風力發(fā)電機組的運行模式，系統(tǒng)主要包括：葉片、導流罩、主軸、軸承座、齒輪、滑環(huán)、減速機、聯(lián)軸器、機艙罩、電機、模擬電控柜、底盤、支撐底座、塔筒、回旋軸承、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等。

該型實驗臺主要應用于高職高專、大學專科，研究生及風電企業(yè)幫助完成風力發(fā)電系統(tǒng)相關教學實驗任務：1、風力發(fā)電控制系統(tǒng)策略分析與實踐2、變槳系統(tǒng)原理與控制策略學習實踐3、偏航系統(tǒng)原理與控制策略實踐4、風速即轉(zhuǎn)速與發(fā)電效率分析5、風速即轉(zhuǎn)速與發(fā)電功率分析6、西門子1200系列PLC編程與實踐7、昆侖通泰觸摸屏編程學習與實踐      

二、各單元技術參數(shù)

（1）縮比模型技術參數(shù)

• 發(fā)電機形式：水平軸，上風式

• 風輪旋轉(zhuǎn)方向：順時針

• 額定功率：0.3kW

• 輪轂中心最大高度：1m；

• 風輪轉(zhuǎn)速：0～15rpm；

• 葉片模擬：平板有機玻璃；

• 葉片數(shù)量：3片；

• 輪轂形式：焊接結(jié)構(gòu)

• 偏航機構(gòu)：伺服電機和減速機1個；

• 控制系統(tǒng)：可編程控制器；

• 拖動系統(tǒng)：異步變頻電機YC80-0.25kW1500rpm。

• 機組運行溫度范圍：-100C—300C，相對濕度：≤95%

• 其它要求：減速機構(gòu)、主軸、聯(lián)軸器、輪轂、導流罩、機艙、模擬葉根

  注：輪轂采用普通鋼材切割造型焊接而成。

  （2）系統(tǒng)供電電源

• 動力電源供電：3相四線，AC380V/50Hz；

• 照明系統(tǒng)：AC220V/50Hz（二相三線）

• 控制電壓：220V/50Hz；

• PLC控制電壓（主控制器IPC）：24V DC；

• PLC控制電壓 (遠程IO ET200)：24V DC；

• 通訊系統(tǒng)：24V DC / 20mA / RS485。

  （3）工作環(huán)境條件

• 環(huán)境條件：實驗室環(huán)境；

• 溫     度：- 10°C / + 50°C；

• 海     拔：海平面以上；

• 震動/沖擊：20-30 H6 / 最大 0.1 G；

• 控制柜環(huán)境溫度：0°C / +40°C。

  （4）主動偏航系統(tǒng)

  主動偏航是采用主動式電機驅(qū)動的可控對風方式,其主要功能是在2米/秒的風速以上時，偏航控制器通過采集風向儀信息經(jīng)計算后做出偏航?jīng)Q策，使電機對準風向?qū)崿F(xiàn)風能最大值,具有高度的靈活性和可控性,對風準確穩(wěn)定。 

  針對小型風力發(fā)電機主動偏航系統(tǒng),分析研究風能特性、標準風況、極端風況以及風況預測，幫助風力發(fā)電機捕獲最大風能。

  （5）機艙縮比演示單元

  模擬機艙上安裝發(fā)電機、齒輪箱以及相對應的電氣驅(qū)動裝置，同時還在模擬機艙上方安裝可調(diào)整風速和風向的機械和電氣裝置。

• 供電電源：3相4線，AC380V/50Hz；

• 輔助電源：AC220V/50Hz

• 控制電壓：220V/50Hz；

• PLC控制電壓（主控制器IPC）：24V DC；

• 通訊系統(tǒng)：24V DC / 20mA / RS485。

• 模擬測風系統(tǒng)：12V DC   0-36m/s

• 偏航系統(tǒng)電源：AC220V/90W  單相電機

  （6）柜塔筒、底盤

  采用國標鋼管根據(jù)設計要求進行切割并于底盤焊接在一起，底盤低部安裝4個萬向滾輪，方便設備移動。 

  （7）傳感器

  設備安裝有的傳感大有轉(zhuǎn)速傳感器和回旋接近傳感器，用于檢測發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和偏航回轉(zhuǎn)角度。

  電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件接通電源后在開關的感應面將產(chǎn)生一個交變磁場當金屬物體接近此感應面時，金屬中會產(chǎn)生渦流，而吸收了震蕩器的能量，使震蕩器輸出幅度線性衰退.然后根據(jù)衰減置的變化來完成接觸監(jiān)測物體的目的。

位置傳感器的輸出是三線制接線方式，輸出級為PNP型的OC門（Open Collector Door，集電極開路輸出門）。工作原理是當被測物體未靠近傳感器時，OUT端為低電平；當被測物體靠近傳感器時，OUT端為高電平，LED燈點亮。 

 （8）電氣控制柜

主控模塊采用西門子S7-1200系列PLC系統(tǒng)，帶PROFIBUS, 以太網(wǎng)，串口。實驗臺提供一套組態(tài)軟件，提供標準的編程接口?？梢圆捎脴藴实?/span>OPC接口，設定IP地址，通過組態(tài)軟件與網(wǎng)絡控制器聯(lián)網(wǎng)通訊。

控制柜內(nèi)部面板設置有測量儀表，儲運、運行開關/按鈕，指示燈，急停按鈕等，面板儀表除組態(tài)監(jiān)控軟件外可顯示各項常規(guī)數(shù)據(jù)，方便讀取。

    1）西門子S7-1200主機：

SIMATIC S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡通信等任務，單機小型自動化系統(tǒng)的完美解決方案。對于需要網(wǎng)絡通信功能和單屏或多屏HMI的自動化系統(tǒng)，易于設計和實施。具有支持小型運動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)的高級應用功能。

2）觸摸屏：

TPC7062TX，是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。 

3）拖動變頻器：(MM420-1KW)

• 電壓電壓：330-450V AC  ±10%

• 額定功率：1KW

• 電源頻率：47-63Hz

• 輸出頻率：0-650Hz

• 功率因數(shù)：≥0.95

• 變頻效率：97%

• 過載能力：對于周期時間為60s，300s而言，過載電流1.5×額定輸出電流（即150%的過載能力）

• 沖擊電流：小于額定輸入電流

• 控制方法：線性V/f特性曲線；平方I/f特性曲線；多點特性曲線（可編程）I/f；磁通電流控制（FCC）

• 脈沖頻率：16KHz(標準型號為230V1/3AC)；4KHz(標準型號為400V 3AC)；2KHz至16KHz(2KHz為一檔)

• 固定頻率：7，可編程

• 跳躍頻率：4，可編程

• 設定值分辨率：0.01Hz數(shù)字；0.01Hz連續(xù)；10bit模擬

• 數(shù)字量輸入：3個完全編程隔離的數(shù)字量輸入模塊；可切換PNP/NPN

  4）偏航變頻器(MM420-0.37KW)：

• 電壓電壓：200-240V AC  ±10%

• 額定功率：0.37KW

• 電源頻率：47-63Hz

• 輸出頻率：0-650Hz

• 功率因數(shù)：≥0.95

• 變頻效率：97%

• 過載能力：對于周期時間為60s，300s而言，過載電流1.5×額定輸出電流（即150%的過載能力）

• 沖擊電流：小于額定輸入電流

• 控制方法：線性V/f特性曲線；平方I/f特性曲線；多點特性曲線（可編程）I/f；磁通電流控制（FCC）

• 脈沖頻率：16KHz(標準型號為230V1/3AC)；4KHz(標準型號為400V 3AC)；2KHz至16KHz(2KHz為一檔)

• 固定頻率：7，可編程

• 跳躍頻率：4，可編程

• 設定值分辨率：0.01Hz數(shù)字；0.01Hz連續(xù)；10bit模擬

• 數(shù)字量輸入：3個完全編程隔離的數(shù)字量輸入模塊；可切換PNP/NPN

  5）儀表：

    直流電壓表

  具有通信接口、具有手動自動量程、工業(yè)級柜裝48mm*96mm、精度：0.5級，1000V檔位顯示格式：999.99（帶2個小數(shù)點），高精度自動量程顯示，正反駁接誤差不大于5個字。

    直流電流表

  具有通信接口、具有手動自動量程、工業(yè)級柜裝48mm*96mm、精度：0.5級，5A檔位：4999.9（帶1個小數(shù)點），高精度自動量程顯示，采用透明面板設計，全量程內(nèi)阻0.1毫歐。

    交流多功能表參數(shù)

  功率及功率因數(shù)表采用16位高精度AD轉(zhuǎn)換器和高速MPU單元設計而成，通過鍵控、數(shù)顯窗口實現(xiàn)人機對話功能控制模式。軟件上采用RTOS設計思路，同時配有PC監(jiān)控軟件來加強分析能力。能測量電路的功率、功率因數(shù)。功率測量精度為1.0級，功率因數(shù)測量范圍0.3-1.0，電壓電流量程為450V和5A，能自動判別負載性質(zhì)（感性，容性，純電阻）。

  （9）監(jiān)控系統(tǒng)

  1)監(jiān)控系統(tǒng)組成

  監(jiān)控系統(tǒng)主要由觸摸屏、接線排、電源插座、通信線、組態(tài)軟件組成。

  2)監(jiān)控系統(tǒng)功能通信觸摸屏、PLC之間進行通信，監(jiān)控自動跟蹤過程與PLC、儀表等之間進行通信。