文 | 邢作霞，蘆彥東，祁東亮，周瑞卿

依托風(fēng)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)培養(yǎng)高素質(zhì)風(fēng)電人才

文 | 邢作霞，蘆彥東，祁東亮，周瑞卿

沈陽工業(yè)大學(xué)依托30余年的風(fēng)電科研基礎(chǔ)，發(fā)揮電氣工程、機(jī)械工程等學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以強(qiáng)化學(xué)生在新能源綜合應(yīng)用領(lǐng)域以及風(fēng)電裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)行服務(wù)方面能力的培養(yǎng)為宗旨，自主研發(fā)了風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為人才培養(yǎng)提供全面的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境。

在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的人才組成中，本科生是主要部分，因此，從促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，本科生的培養(yǎng)至關(guān)重要。實(shí)踐教學(xué)是本科風(fēng)電教學(xué)體系的重要組成部分，主要包括課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)。通過實(shí)踐教學(xué)一方面可以幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行消化吸收，建立起對(duì)理論知識(shí)的實(shí)際框架；另一方面充分鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力奠定良好的基礎(chǔ)，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)的風(fēng)電人才。

新能源科學(xué)與工程專業(yè)（風(fēng)電方向）主要研究以風(fēng)力發(fā)電為主要代表的可再生能源發(fā)電及運(yùn)行技術(shù)。沈陽工業(yè)大學(xué)依托30余年的風(fēng)力發(fā)電科研基礎(chǔ)，發(fā)揮電氣工程、機(jī)械工程等學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以強(qiáng)化學(xué)生在新能源綜合應(yīng)用領(lǐng)域以及風(fēng)電裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)行服務(wù)方面能力的培養(yǎng)為宗旨，自主研發(fā)制造了一系列風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為風(fēng)電人才培養(yǎng)提供了全面的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境。

SUT-MCP風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)充分模擬兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器的狀態(tài)及其控制。主要包括：偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、液壓站系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)、變槳軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)艙溫度控制、熱交換、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、安全鏈等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變槳和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，能夠選擇不同風(fēng)況，實(shí)現(xiàn)與兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組輸出特性一致。采用軟件仿真模擬風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)特性，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變槳和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，已經(jīng)成為了風(fēng)電方向本科課程實(shí)驗(yàn)及研究生風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)研究必不可少的教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

通過本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可分別進(jìn)行如下教學(xué)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：偏航互鎖電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過偏航電路設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生理解偏航各機(jī)構(gòu)間的動(dòng)作原理，互鎖關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)二：偏航傳感信號(hào)采集和自動(dòng)對(duì)風(fēng)編程實(shí)驗(yàn)。（1）通過脈沖計(jì)數(shù)，PLC編程實(shí)現(xiàn)偏航方向判斷及偏航角度計(jì)算；（2）編程實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)的自動(dòng)對(duì)風(fēng)、啟停、互鎖及扭纜極限保護(hù)控制；（3）讓學(xué)生通過編程實(shí)現(xiàn)偏航動(dòng)作，可以深入理解偏航的工作原理。

實(shí)驗(yàn)三：液壓機(jī)構(gòu)原理及控制實(shí)驗(yàn)。編程實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)過程，液壓站松閘、抱閘剎車動(dòng)作，觀察機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程。

實(shí)驗(yàn)四：齒輪箱油循環(huán)、溫度控制編程實(shí)驗(yàn)。（1）編程實(shí)現(xiàn)齒輪油泵啟、停，根據(jù)油溫，進(jìn)行齒輪油冷卻風(fēng)扇、加熱溫度控制，觀察油溫變化情況；（2）編程實(shí)現(xiàn)機(jī)艙溫度交換控制，根據(jù)機(jī)艙溫度高低，控制機(jī)艙加熱器和風(fēng)扇的啟停；（3）通過編程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以鍛煉學(xué)生溫度控制的基本編程實(shí)現(xiàn)技巧。

實(shí)驗(yàn)五：變槳距控制編程實(shí)驗(yàn)。發(fā)電工況下，編程實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組變槳和轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線控制，觀察機(jī)組的穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行情況、功率輸出實(shí)時(shí)變化情況，提供發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)仿真模型。

雙饋/永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)臺(tái)

雙饋/永磁式風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)，是根據(jù)目前國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)應(yīng)用較廣泛的雙饋或永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的功能及特性，為風(fēng)電行業(yè)科研、教學(xué)提供有力的幫助。

本系統(tǒng)采用異步變頻拖動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)較寬范圍模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)拖動(dòng)單元轉(zhuǎn)速來達(dá)到模擬風(fēng)速變化引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。通過開放式主控系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)需求給定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通過變流系統(tǒng)控制雙饋發(fā)電機(jī)的功率輸出，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電等過程的實(shí)驗(yàn)研究。

雙饋/永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制柜、并網(wǎng)柜、監(jiān)控平臺(tái)和對(duì)拖機(jī)組三部分組成。控制柜主要作用：提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電能；風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)；故障情況下能量消耗、急停控制等功能。并網(wǎng)柜主要作用：控制發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)；調(diào)節(jié)輸出電能質(zhì)量。監(jiān)控平臺(tái)作用：作為上位機(jī)控制平臺(tái)運(yùn)行；可選擇調(diào)節(jié)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)等參數(shù)；運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示；控制平臺(tái)啟動(dòng)、停止、并網(wǎng)方式等功能；平臺(tái)運(yùn)行過程的形象展示。對(duì)拖機(jī)組主要作用：主控柜控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；發(fā)電機(jī)向并網(wǎng)柜反饋電能、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組發(fā)電狀態(tài)的模擬，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、發(fā)電量及有功、無功調(diào)節(jié)。具體如下：

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)接線形式實(shí)驗(yàn)；

（2）空載運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)；

（3）并網(wǎng)過程實(shí)驗(yàn)；

（4）并網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；

（5）風(fēng)速模擬實(shí)驗(yàn)；

（6）轉(zhuǎn)矩模擬實(shí)驗(yàn)；

（7）發(fā)電功率模擬實(shí)驗(yàn)；

（8）其他相關(guān)發(fā)電性能及測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

安全鏈故障模擬盤實(shí)驗(yàn)柜

安全鏈控制柜是參考當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)安全鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)的，可以模擬實(shí)際風(fēng)電機(jī)組安全鏈的全部功能，包括安全鏈的觸發(fā)、復(fù)位、變槳制動(dòng)等。安全鏈中的執(zhí)行部件，包括液壓泵、變槳閥等以白色指示燈進(jìn)行指示，指示燈亮，表明動(dòng)作執(zhí)行。

安全鏈的故障觸發(fā)部分采用轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，各轉(zhuǎn)換開關(guān)代表安全鏈中相應(yīng)的故障，撥動(dòng)相應(yīng)開關(guān)即可模擬相應(yīng)的故障。所有故障觸發(fā)開關(guān)集中放置在一個(gè)操作盒上，方便操作。該控制柜為前后兩側(cè)開門，前側(cè)與后側(cè)均安裝電器件，前側(cè)安裝板放置安全鏈的各電器元件，即安全鏈的可視部分，后側(cè)安裝板放置安全鏈故障觸發(fā)盒，即安全鏈故障觸發(fā)部分。前側(cè)安裝板分為機(jī)艙、輪轂、塔基三個(gè)區(qū)域，各電器件按照實(shí)際在風(fēng)電機(jī)組中所處的位置分區(qū)排布。

可以分別對(duì)機(jī)艙、輪轂、塔基安全鏈進(jìn)行模擬、實(shí)訓(xùn)考核。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于仿真模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過程，使學(xué)生增強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體的認(rèn)識(shí)和工作原理的理解。模擬變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式，包括模擬變槳距系統(tǒng)、機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)等，具有以實(shí)驗(yàn)為目的模擬機(jī)組待機(jī)、同步、并網(wǎng)、發(fā)電、脫網(wǎng)等分步運(yùn)行控制?？蛇M(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（1）進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、正常停機(jī)、緊急停機(jī)時(shí)槳距角的變化狀態(tài)實(shí)驗(yàn)；

（2）對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)、空載運(yùn)行、停機(jī)、超速、能量轉(zhuǎn)換等過程進(jìn)行形象演示；

（3）仿真發(fā)電機(jī)組偏航時(shí)的所有過程，包括機(jī)組自動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)、手動(dòng)偏航、自動(dòng)解纜、手動(dòng)解纜等；

（4）進(jìn)行機(jī)組安全鏈保護(hù)實(shí)驗(yàn)。

通過在實(shí)踐平臺(tái)展開的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有了更深入的理解，極大提升了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，因此依托風(fēng)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)對(duì)于風(fēng)電人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

（作者單位：沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院）