TYK-FN02型 大型雙饋風力發電實驗系統/雙饋風力發電系統
? 1.大型雙饋風力發電系統 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。 （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。 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...
分類：
描述
1.大型雙饋風力發電系統
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。
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大型風力發電模擬實驗系統選型
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。
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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*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?？捎糜趯W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*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
*大負載10kW， 變速比1:90
1.3.4控制系統
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*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：
*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
? *大流量：210m3/h
? *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*小可達10ms；
支持多任務配置，*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
廠家要求：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。
??? 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*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：
*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
? *大流量：210m3/h
? *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*小可達10ms；
支持多任務配置，*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
廠家要求：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。
