雙饋風力發電實驗系統，新能源風力發電系統
2014-06-18 09:53
DB-FN02型 大型雙饋風力發電實驗系統
1.1整體方案
（1）動力控制系統, 用來模擬自然風通過葉槳產生的轉動力矩輸入到發電機的機械轉矩，為系統發電提供原動力。它由電動機、調速系統和控制系統構成。
（1）動力控制系統, 用來模擬自然風通過葉槳產生的轉動力矩輸入到發電機的機械轉矩，為系統發電提供原動力。它由電動機、調速系統和控制系統構成。
（2）變速恒頻雙饋風力發電機的勵磁控制系統, 控制雙向可控逆變器使發電機變速恒頻運行。它由雙饋風力發電機, 雙向可控逆變器和控制軟件系統等構成。
（3）風力發電的主控系統, 對整個風力發電系統進行統一監控、管理和安全控制。主要包括監控主機和監控軟件、主控系統、多功能測控儀表、模擬風系統、風力發電安全系統及各類測量儀器儀表等。
風機實驗系統包含變槳、主控、主軸、齒輪箱、發電機、雙向可控逆變控制器、備用電源、風速模擬等，用于模擬實際風機運行狀態，測試相關硬件和軟件系統，分析風機離、并網發電系統的控制算法。
大型雙饋風力發電實驗系統風機實驗系統電控部分包含主控系統、變槳系統、測試系統、逆變并網控制系統、監控系統等。
主控系統用于連接風速風向傳感器、震動傳感器、位置傳感器、測量、安全鏈、監控系統等，控制風速方向、偏航、變槳等信息。
變槳系統主要是用于控制三個槳葉的獨立轉動，模擬風機葉槳根據風速及風向變化情況完成變槳控制算法，實現變槳控制。
測試系統主要控制風速模擬系統，用于模擬自然風速風向，來測試風力發電機在不同風速風向情況下的運行狀態；
離、并網控制主要完成風力資源的離、并網利用，分析系統運行的各種工況。
1.2大型雙饋風力發電實驗系統系統選型
1.2.1系統整體結構
1.2.1系統整體結構
在實驗室環境下研究風力發電系統, 無法得到現場的風能輸入, 也無法安裝巨大的槳葉, 因此用原動機及模擬風系統實現風力發電機的機械和電氣輸出特性；風力發電實驗系統構成圖，如圖6
1.2.2系統組成
系統包含
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產品
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部件
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用途
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數量
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主控實驗系統
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風力發電系統
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風機模擬系統
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包括監控主機和監控軟件、多功能儀表、各種測量儀表及低壓電氣元件，實現整機系統的狀態顯示、參數設置及檢測、控制操作等。
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1套
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安全鏈
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急停、剎車系統、震動和位置等多種傳感器，實現系統異常時的保護功能。
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偏航系統
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包含偏航電機、偏航控制器、蝸桿式齒輪箱、偏航齒輪、扭攬開關等構成，配合偏航控制器及模擬風發生系統完成偏航實驗。
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變漿系統
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包含變漿電機、變漿控制器、蝸桿式齒輪箱、輪轂、限位開關等構成，配合變槳控制器完成變漿實驗。
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主控系統
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主站PLC為主的主控系統、分站PLC為輔的從站系統，實現整機系統的控制，數據采集等功能。
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模擬風發生系統
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包含模擬風發生器、風速風向儀及顯示設備、風向控制系統等，模擬各種實際風況，并完成風速和風向信息的檢測。
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調速系統
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主要包含原動機的調速裝置，通過調速裝置調節原動機的狀態，從而通過齒輪箱間接改變風葉的轉動情況，模擬風速對槳葉的改變，為變漿控制提供實驗條件。
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逆變單元
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包含雙向離、并網逆變器、HMI等，實現風機離、并網功能，對主控系統參數進行監控，完成雙饋發電機的并網實驗。
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備用電源
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主要以電池組為主，各種低壓電器元件為輔，實現變漿系統在異常情況下的供電。
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模擬運行算法
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包括 PLC 算法和組態軟件控制算法，建立實際風力發電機控制模型，測試主控系統。
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1.2.3主控實驗系統
主控實驗系統包括主控控制系統以及模擬風發生系統，風機主控系統如圖8。
主控系統是風力發電機控制的核心，在滿足風力發電機安全運行的前提下，盡可能的獲取最大功率。
主控系統用于模擬實際 1.5～3 MW雙饋型風機的主控系統，主要用于模擬實際風機的主控系統，采集變漿和偏航的IO 點，實現整機控制。HMI用于顯示和控制PLC 系統。
風力發電機主控系統采用主控PLC 與專用HMI，與實際風機控制系統一致，滿足風機控制要求。
風力發電機整機模擬系統包括操作臺柜、PLC、按鈕、指示燈、測控儀表、風速風向發生儀、監控系統等，用于模擬風機內部各種控制信號。模擬測試系統與實際控制系統連接，來模擬風機運行的實際狀況。風力發電機內部模擬控制信號可通過PLC編程控制，用戶也可在現有硬件基礎上自行開發控制軟件，實現對各種自然風的模擬，完成對風力發電機控制算法的研究。
通過風力發電機控制系統與風力發電機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC編程，實現對不同類型風力發電機的模擬以及控制仿真。可用于學術理論研究、學生實驗等。
此套系統主要功能包括：
■可通過此系統，讓學生學習主控系統的配置、特點和工藝要求；
■可通過此系統，讓學生學習主控軟件編寫和調試；
■可通過此系統，讓學生研究和模擬不同風機的運行特點；
■可通過此系統，讓學生研究和調試風機核心控制算法；
■可通過此系統，測試完整的主控系統，實現主控系統電氣、軟件等測試
風機主控實驗系統特點：
■ 先進性，滿足目前最主流的兆瓦級變速恒頻風機控制系統的要求；
■ 開放性，無論是PLC 還是計算機均可自主編程，滿足學生學習的要求；
■ 適應性，可滿足不同功率、不同類型的風機測試和模擬；
1.2.4模擬風發生系統
本實驗系統包括一套測試系統，由PLC、變頻器、工控機等組成，主要用于控制模擬風發生器的風速和風向，模擬實際運行的風速環境，其功能如下：
■ 內部保存多種風速曲線，包括微風、陣風、大風、颶風等，包含風速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風況；
■ 通過變頻器控制，控制不同風速；
■顯示屏可以顯示主控系統、變槳系統、偏航系統和測試系統的參數，并能方便控制；
■ 測試系統通過對不同風速的控制，來測試不同風況下的風力發電機運行狀態。
1.3系統主要模塊功能特點和技術參數
1.3.1雙饋發電機
額定功率：3kW
額定電壓：380V
轉子電壓：124V
轉子開路電壓：620V
額定轉速：1200rpm
級數：6
防護等級：IP44
1.3.2雙饋可控逆變控制系統
響應速度：<300us
額定電壓：380V
額定頻率：50Hz
頻率波動范圍：±1HZ
電網電壓總諧波畸變率：4%
額定容量：<=10kW
功率因數：0.951
效率：滿功率時>=95%
冷卻方式: 空冷
并網時間：<2s
通訊方式：profibus DP
噪聲：＝<70dB
1.3.3齒輪箱
最大負載10kW， 變速比1:90
1.3.4控制系統
（1）主控制系統包括：控制柜、電氣系統、主控計算機及控制系統軟件
（2）偏航系統：偏航伺服電機、減速箱及編碼器、伺服控制器及控制軟件
（3）變漿系統：變漿伺服電機、伺服控制器及控制軟件
（4）偏航電機：0.75kW
（5）偏航扭纜CW方向傳感器
（6）伺服控制器：
DSP全數字控制方式，可以實現多種電機控制算法
內置電子齒輪控制功能
六種脈沖輸入方式，與用戶上位機接口方便靈活
編碼器反饋脈沖可分頻輸出，分頻數：1-255
鍵盤及LED數碼顯示
保護功能：具有過壓、過流、過載、失速等報警
1.3.5檢測用傳感器
電機速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅動器供貨，具體按照定貨實際參數
1.3.6電控柜系統
由調速控制柜、變流控制柜、備用電源柜、主控主控臺組成。
1.3.7 PLC控制系統
采用主站PLC為主的主控系統、分站PLC為輔的偏航及變漿系統，Profibus DP通訊接口。系統可以通過遠程操控，組態控制軟件，提供標準的編程接口。
1.3.8底座
（1）組成：基座、塔桿、偏航系統支架、機艙；
（2）基座：系統尺寸：3.8m×1m×3m范圍內；底座的設計與系統設計過程中采用的具體器件有關，可以根據器件及客戶需求最終確定結構尺寸及加工。
（3）機艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統、發電機、傳感器等。
1.3.9風速模擬驅動系統
用來模擬風力發電機中風吹風輪轉動情況，是實驗系統的動力源。其中包括電動機部分和驅動器部分：
(1) 電動機：三相交流異步電動機
額定電壓：380V
額定電流：15.3A
額定功率：7.5kW
額定轉速：1440r/min
(2)驅動器：西門子440變頻器
■ 主要特征：
調試簡單
6個可編程，帶隔離的數字輸入
2個可編程的模擬輸出
3個完全的可編程的繼電器輸出
完善的變頻器和電動機保護功能
■ 控制功能的特點：
最新的IGBT技術
數字微處理器控制
高質量的矢量控制系統
線性V/F特性
平方V/F特性
高品質的PID控制器
集成的制動（斬波）器
4個跳轉頻率
■保護功能：
過載能力
過壓/欠壓保護
變頻器過溫保護
接地故障保護
短路保護
閉鎖電動機保護
防止電動機失速
參數連鎖
1.3.10風速風向模擬系統
（1）風速風向儀
■ 技術指標：
風速測量范圍：0-60m/s
風速測量精度：±0.4m/s
風向測量范圍：0-360°
風向測量精度：±2°
電壓：DC9V-24V
傳輸方式：數字傳輸485/模擬接口
（2）變頻器
額定電壓：380V
額定功率：1.5kW
功能：過載報警、外部故障停機、欠壓停機、RS485通訊接口
（3）模擬風發生器
額定電壓：380V
額定功率：0.85kW
最大流量：210m³/h
最大吹力：220mbar
1.3.11監控系統
■ 技術指標：
操作系統：Windows XP/CE，WinXPE
安裝方式：控制柜面板
工作環境溫度：-20℃~50℃
工作相對濕度：10～95% ，無凝結
■ 功能特點：
寬溫度設計，適合低溫下穩定運行
安全保護，防止風力振動帶來的損壞
支持Windoews系統的軟件開發
風電機組控制
參數顯示和設置
權限控制
故障記錄查詢
歷史數據查詢和統計
1.3.12主控制器功能特點
■ 高性能
配置工業級533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；
程序運行周期最小可達10ms；
支持多任務配置，最多可配置32種不同任務。
■ 高可靠性
保護及通訊不受電磁干擾；
風電主控制器已通過UL、CE認證；
背板背面全部接地，有效抵抗脈沖群干擾；
具備良好的電磁兼容性，現場與系統、通道與通道間采用隔離措施。
■開放性強
支持多種現場總線協議，如 Modbus、Profibus-DP等，同時提供多種接口方式選擇，滿足風力發電機上通訊設備的需求；
■出色的環境適應性
寬溫型設計，存儲溫度-40℃～70℃，運行溫度-25℃～60℃；
出色的三防工藝，防鹽霧、防濕熱、防霉菌，適合于戈壁、灘涂以及海上風力發電機。
■強大的冗余和自診斷功能
擁有強大的自診斷功能，DO模塊具有回讀功能，進行數據比較自檢；
具有掉電檢測和超量程及超限報警功能；
支持電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，滿足海上風機的高可靠性要求；
■適合風電應用的專家模塊
高速測頻模塊、光纖通訊模塊、電量采集模塊等，用于完成風電特殊信號的采集和通訊；
■ 易用性和易維護性
模塊支持帶電插拔，新模塊自動進行數據的初始化設置，并快速與CPU建立通信；
編程軟件符合IEC61131-3國際標準，具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六種編程語言；
靈活的SD存儲卡，可進行工程恢復及備份復制，使系統維護更加方便、快捷；
背板上設計有防混銷，以避免插錯模塊；
采用WAGO端子接線，簡單牢固。保證機艙震動過大時，接線不脫落；
外形小巧，易于安裝，既可分散，也可集中；
1.3.13主控制器編程軟件
■功能特點
符合IEC61131-3標準的編程語言
強大的運算功能，支持32位浮點運算
支持數組、指針，方便實現復雜運算
支持軟件仿真、在線調試及用戶代碼檢查功能
集成故障數據分析和顯示功能
具有用戶程序密碼保護功能
六種編程語言，滿足編程人員進行復雜的邏輯控制需求
子程序之間可采用不同的編程語言，并可相互調用
支持編寫自定義塊、函數和子程序可保存為內部庫的形式
自定義內部庫可以在不同工程中調用
可對風機中的關鍵變量進行采樣跟蹤，如風速、槳距角
角度、風向、發電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉矩
等進行實時跟蹤，并保存數據
1.3.14安全鏈
震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統，可以避免系統失控。
1.3.15電源
實驗室提供50kVA三相四線AC 380V交流電源、5kVA的AC 220V交流電源及可靠的接地系統。
2.系統功能
風力發電機實驗系統主要用于學生的教學實踐和科研開發，通過風機控制系統與風機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC 編程，實現對不同類型風機的模擬以及控制仿真，可用于學生理論研究、實踐等。實現變速恒頻風力機組發電狀態的模擬，包括轉速、轉矩、發電量及有功、無功調節。
■主要實驗功能如下：
風力發電機接線形式實驗
空載運轉實驗
并網過程實驗
并網連續運行實驗
風速模擬實驗
轉距模擬實驗
發電功率模擬實驗
其它相關發電性能及測量實驗
脫網保護模擬實驗
控制策略模擬實驗
主控系統的配置、特點和工藝要求
學習主控軟件編寫和調試
研究和調試風機核心控制算法
自主編程應用
風力發電現場參數采集的邏輯分析
3.設備安裝建議
要求：室內安裝，樓層高度不低于3m，樓層為一樓，門寬3m，樓層走廊3m。
通過風力發電機控制系統與風力發電機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC編程，實現對不同類型風力發電機的模擬以及控制仿真。可用于學術理論研究、學生實驗等。
此套系統主要功能包括：
■可通過此系統，讓學生學習主控系統的配置、特點和工藝要求；
■可通過此系統，讓學生學習主控軟件編寫和調試；
■可通過此系統，讓學生研究和模擬不同風機的運行特點；
■可通過此系統，讓學生研究和調試風機核心控制算法；
■可通過此系統，測試完整的主控系統，實現主控系統電氣、軟件等測試
風機主控實驗系統特點：
■ 先進性，滿足目前最主流的兆瓦級變速恒頻風機控制系統的要求；
■ 開放性，無論是PLC 還是計算機均可自主編程，滿足學生學習的要求；
■ 適應性，可滿足不同功率、不同類型的風機測試和模擬；
1.2.4模擬風發生系統
本實驗系統包括一套測試系統，由PLC、變頻器、工控機等組成，主要用于控制模擬風發生器的風速和風向，模擬實際運行的風速環境，其功能如下：
■ 內部保存多種風速曲線，包括微風、陣風、大風、颶風等，包含風速變化趨勢曲線，可方便的模擬實際的風況；
■ 通過變頻器控制，控制不同風速；
■顯示屏可以顯示主控系統、變槳系統、偏航系統和測試系統的參數，并能方便控制；
■ 測試系統通過對不同風速的控制，來測試不同風況下的風力發電機運行狀態。
1.3系統主要模塊功能特點和技術參數
1.3.1雙饋發電機
額定功率：3kW
額定電壓：380V
轉子電壓：124V
轉子開路電壓：620V
額定轉速：1200rpm
級數：6
防護等級：IP44
1.3.2雙饋可控逆變控制系統
響應速度：<300us
額定電壓：380V
額定頻率：50Hz
頻率波動范圍：±1HZ
電網電壓總諧波畸變率：4%
額定容量：<=10kW
功率因數：0.951
效率：滿功率時>=95%
冷卻方式: 空冷
并網時間：<2s
通訊方式：profibus DP
噪聲：＝<70dB
1.3.3齒輪箱
最大負載10kW， 變速比1:90
1.3.4控制系統
（1）主控制系統包括：控制柜、電氣系統、主控計算機及控制系統軟件
（2）偏航系統：偏航伺服電機、減速箱及編碼器、伺服控制器及控制軟件
（3）變漿系統：變漿伺服電機、伺服控制器及控制軟件
（4）偏航電機：0.75kW
（5）偏航扭纜CW方向傳感器
（6）伺服控制器：
DSP全數字控制方式，可以實現多種電機控制算法
內置電子齒輪控制功能
六種脈沖輸入方式，與用戶上位機接口方便靈活
編碼器反饋脈沖可分頻輸出，分頻數：1-255
鍵盤及LED數碼顯示
保護功能：具有過壓、過流、過載、失速等報警
1.3.5檢測用傳感器
電機速度、位置編碼器、電流、電壓傳感器。隨驅動器供貨，具體按照定貨實際參數
1.3.6電控柜系統
由調速控制柜、變流控制柜、備用電源柜、主控主控臺組成。
1.3.7 PLC控制系統
采用主站PLC為主的主控系統、分站PLC為輔的偏航及變漿系統，Profibus DP通訊接口。系統可以通過遠程操控，組態控制軟件，提供標準的編程接口。
1.3.8底座
（1）組成：基座、塔桿、偏航系統支架、機艙；
（2）基座：系統尺寸：3.8m×1m×3m范圍內；底座的設計與系統設計過程中采用的具體器件有關，可以根據器件及客戶需求最終確定結構尺寸及加工。
（3）機艙：葉槳、輪轂、齒輪箱、拖動系統、發電機、傳感器等。
1.3.9風速模擬驅動系統
用來模擬風力發電機中風吹風輪轉動情況，是實驗系統的動力源。其中包括電動機部分和驅動器部分：
(1) 電動機：三相交流異步電動機
額定電壓：380V
額定電流：15.3A
額定功率：7.5kW
額定轉速：1440r/min
(2)驅動器：西門子440變頻器
■ 主要特征：
調試簡單
6個可編程，帶隔離的數字輸入
2個可編程的模擬輸出
3個完全的可編程的繼電器輸出
完善的變頻器和電動機保護功能
■ 控制功能的特點：
最新的IGBT技術
數字微處理器控制
高質量的矢量控制系統
線性V/F特性
平方V/F特性
高品質的PID控制器
集成的制動（斬波）器
4個跳轉頻率
■保護功能：
過載能力
過壓/欠壓保護
變頻器過溫保護
接地故障保護
短路保護
閉鎖電動機保護
防止電動機失速
參數連鎖
1.3.10風速風向模擬系統
（1）風速風向儀
■ 技術指標：
風速測量范圍：0-60m/s
風速測量精度：±0.4m/s
風向測量范圍：0-360°
風向測量精度：±2°
電壓：DC9V-24V
傳輸方式：數字傳輸485/模擬接口
（2）變頻器
額定電壓：380V
額定功率：1.5kW
功能：過載報警、外部故障停機、欠壓停機、RS485通訊接口
（3）模擬風發生器
額定電壓：380V
額定功率：0.85kW
最大流量：210m³/h
最大吹力：220mbar
1.3.11監控系統
■ 技術指標：
操作系統：Windows XP/CE，WinXPE
安裝方式：控制柜面板
工作環境溫度：-20℃~50℃
工作相對濕度：10～95% ，無凝結
■ 功能特點：
寬溫度設計，適合低溫下穩定運行
安全保護，防止風力振動帶來的損壞
支持Windoews系統的軟件開發
風電機組控制
參數顯示和設置
權限控制
故障記錄查詢
歷史數據查詢和統計
1.3.12主控制器功能特點
■ 高性能
配置工業級533MHz處理器，擁有納秒級（13ns）的處理速度；
程序運行周期最小可達10ms；
支持多任務配置，最多可配置32種不同任務。
■ 高可靠性
保護及通訊不受電磁干擾；
風電主控制器已通過UL、CE認證；
背板背面全部接地，有效抵抗脈沖群干擾；
具備良好的電磁兼容性，現場與系統、通道與通道間采用隔離措施。
■開放性強
支持多種現場總線協議，如 Modbus、Profibus-DP等，同時提供多種接口方式選擇，滿足風力發電機上通訊設備的需求；
■出色的環境適應性
寬溫型設計，存儲溫度-40℃～70℃，運行溫度-25℃～60℃；
出色的三防工藝，防鹽霧、防濕熱、防霉菌，適合于戈壁、灘涂以及海上風力發電機。
■強大的冗余和自診斷功能
擁有強大的自診斷功能，DO模塊具有回讀功能，進行數據比較自檢；
具有掉電檢測和超量程及超限報警功能；
支持電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，滿足海上風機的高可靠性要求；
■適合風電應用的專家模塊
高速測頻模塊、光纖通訊模塊、電量采集模塊等，用于完成風電特殊信號的采集和通訊；
■ 易用性和易維護性
模塊支持帶電插拔，新模塊自動進行數據的初始化設置，并快速與CPU建立通信；
編程軟件符合IEC61131-3國際標準，具有LD、IL、FBD、ST、SFC和CFC六種編程語言；
靈活的SD存儲卡，可進行工程恢復及備份復制，使系統維護更加方便、快捷；
背板上設計有防混銷，以避免插錯模塊；
采用WAGO端子接線，簡單牢固。保證機艙震動過大時，接線不脫落；
外形小巧，易于安裝，既可分散，也可集中；
1.3.13主控制器編程軟件
■功能特點
符合IEC61131-3標準的編程語言
強大的運算功能，支持32位浮點運算
支持數組、指針，方便實現復雜運算
支持軟件仿真、在線調試及用戶代碼檢查功能
集成故障數據分析和顯示功能
具有用戶程序密碼保護功能
六種編程語言，滿足編程人員進行復雜的邏輯控制需求
子程序之間可采用不同的編程語言，并可相互調用
支持編寫自定義塊、函數和子程序可保存為內部庫的形式
自定義內部庫可以在不同工程中調用
可對風機中的關鍵變量進行采樣跟蹤，如風速、槳距角
角度、風向、發電機輸出電流、電壓、變流器反饋轉矩
等進行實時跟蹤，并保存數據
1.3.14安全鏈
震動、過壓、超速、解纜失靈等故障保護系統，可以避免系統失控。
1.3.15電源
實驗室提供50kVA三相四線AC 380V交流電源、5kVA的AC 220V交流電源及可靠的接地系統。
2.系統功能
風力發電機實驗系統主要用于學生的教學實踐和科研開發，通過風機控制系統與風機模擬系統的連接，盡可能的模擬實際風力發電機運行的工藝特點和控制要求。此系統開放性強，可通過對控制系統和模擬系統的PLC 編程，實現對不同類型風機的模擬以及控制仿真，可用于學生理論研究、實踐等。實現變速恒頻風力機組發電狀態的模擬，包括轉速、轉矩、發電量及有功、無功調節。
■主要實驗功能如下：
風力發電機接線形式實驗
空載運轉實驗
并網過程實驗
并網連續運行實驗
風速模擬實驗
轉距模擬實驗
發電功率模擬實驗
其它相關發電性能及測量實驗
脫網保護模擬實驗
控制策略模擬實驗
主控系統的配置、特點和工藝要求
學習主控軟件編寫和調試
研究和調試風機核心控制算法
自主編程應用
風力發電現場參數采集的邏輯分析
3.設備安裝建議
要求：室內安裝，樓層高度不低于3m，樓層為一樓，門寬3m，樓層走廊3m。
