方案分享--直驱式风力发电实验仿真平台

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。永磁直驱风力发电机不仅可以提高发电机的效率，并且因为发电机采用了永磁结构，省去了电刷和集电环等易耗机械部件，提高了系统的可靠性，而且不需要电励磁装置，能在增大电机容量的同时，减少体积。另外，风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风力发电系统发电机与风轮并不是直接相连，而是通过变速齿轮连接，这种机械装置不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本，而且容易出现故障，是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连，增加了系统的稳定性，减少了维护工作，并且还降低了噪音。因此鉴于诸多优点，国内各类科研单位，都青睐于对永磁直驱风力发电的研究。

那么，在风力发电产业蓬勃发展的国际环境下，风力发电水平不断提高。科研实验室作为各种新理论和新技术的孕育摇篮，其先期的研究和验证对风电技术的发展和前进起着至关重要的引导和推动作用。进行实验研究最直接有效的方法是将风力发电机与风力机相连，进行现场实际试验。但是鉴于所需要的风场环境以及体积庞大、结构复杂的桨叶设备，实验室内不可能具备条件，只能在室外进行现场调试。但是，受环境、自然因素、天气条件等影响，现场实验困难重重，比如：无法自由的对风速进行变化，某些高风速下的极限测试只能在极少数情况下得以实现，实验周期长，人力、物力、经费投入大；新理论和新技术存在诸多的未知数，实验结果的好坏难以预测，现场调试风险巨大；电气设备的运算和安装不便，不同容量设备难以在同一风力系统进行试验；这些因素都要求在实验室内构件模拟系统来模拟实际风力机的真实工作特性势在必行。

对此，南京研旭电气科技有限公司设计了一整套模拟定桨距式的永磁直驱风力发电的实验仿真平台。通过此平台，研究人员可以研究永磁直驱风力发电机的真实工作特性，可以缩短研究和开发周期、节省研究经费，便于对风力发电系统的控制技术展开全面深入的研究，具有重要的显示意义。

1.模拟风力发电系统—直驱式风力发电系统（开放式）

1.1直驱风力发电实验仿真平台组成

（1）直驱式风力发电系统主要包括:
1）7.5kW三相异步电机、5.5kw三相永磁发电机、槽钢底座；
2）7.5kw ABB矢量变频器；
3）5kW风机背靠背整流逆变柜；
4）实验例程和项目；
5）变流器开源软硬件资料。

（2）直驱风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成：
1）矢量变频器和三相异步调速电机来模拟实际的风力机；
2）三相异步调速电机通过联轴器带动永磁直驱发电机发电；
3）发电机定子输出连接可控整流器，将发电机发出的三相交流电整流成直流电；
4）并网逆变器直流输入连接可控整流器直流输出，将直流电逆变为符合并网要
求的三相交流电，馈入主网；
5）监控前台，主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成，实现对变频器、
整流器、逆变器等设备的数据监控以及记录保存；
6）风速调速器设备，主要目的就是实现定桨距角变速恒频的最大发电功率追踪；

1.2直驱风力发电实验仿真平台工作原理
（1）变频器
变频器带动三相异步电机，可以有两种模式，一种为标量控制，即V/F模式，此种模式无法实现发电功率最大追踪，只是当发电机转速越快，发电功率越大；另外一种为矢量控制，即转矩控制，此种模式变频器按照特定转矩送给电机，当电机运行至最佳速度时，发电功率可以达到最大值。当桨距角和叶片半径一定时，风能利用系数只与叶尖速比相关，根据上位机设定的风速值，可以获得最佳转速值和对应的转矩值。将转速值发给可控整流器，转矩值发给变频器，这样就实现了功率最大追踪，即MPPT功能。矢量控制需要另外配备专门的调速器，本系统默认采用的是VF控制模式。

（2）对拖机组
机组由三相异步调速电机、联轴器、永磁同步发电机组成。其中三相异步电机采用2对级，额定转速1460r/min（存在转差）。永磁同步发电机为定制永磁发电机，额定频率为100HZ，4对级，额定转速为1500r/min

（3）背靠背变流器
类似于有刷双馈风力发电系统，连接发电机定子的PWM变换器称为定子PWM变换器，连接电网的PWM变换器称为并网PWM变换器。一般情况下定子PWM变换器工作在整流状态（因此又称之为PWM整流器,简称整流器），并网PWM变换器工作在逆变状态（因此又称之为PWM逆变器，简称逆变器）。PMSG发出的电能经定子PWM变换器转换为直流电，中间直流母线并联大电容起稳压和能量储存缓冲的作用，最后经过并网PWM变换器转换为与电网同频的交流电馈入电网，并网PWM变换器与定子PWM变换器本休结构上完全相同，控制方案见下图。

PWM变换器可以根据需要工作在整流状态或逆变状态，能量可以双向流动（对双馈风力发电系统是必需的，但直驱式并网并不需要这种功能），定子侧电流和网侧电流的大小和功率因数都是可调的，整个双PWM变换器可以工作在四象限状态。

在具体运行中，两个PWM变换器各司其职，根据控制算法的不同其功能略有不同。无论哪种算法，定子PWM变换器一般是采用转子磁链定向，控制PMSG的定子电流呈正弦波形实现转速和功率因数调节；并网PWM变换器采用电网电压矢量定向，将直流电逆变为良好的正弦波形实现并网和有功/无功解耦。直流母线电压可以由定子PWM变换器控制也可以由并网PWM变换器控制，保持为比电网幅值高的稳定值（这样才能保证能量流动的方向，PWM整流可以升压）以便往电网输送能量。如果由定子PWM变换器控制直流母线电压，则并网PWM变换器要担负最大风能跟踪的任务，必须根据风速控制PMSG转速或根据转速控制并网电流；如果由并网PWM变换器控制直流母线电压，则定子PWM变换器要担负最大风能跟踪的任务，一般根据此时的风速控制PMSG转速到达最佳转速。能量流动一般是从PMSG流向电网，此时PMSG工作于正常的发电状态；但在PMSG起动时能量可以从电网流向PMSG，使PMSG工作在电动状态快速起动。

直驱式风力发电系统运行控制方案

（4）调速器
调速器配合上位机、整流器、变频器实现定桨距变速恒频发电机功率最大追踪。上位机给出桨距角、叶片半径、转动惯量等值后，调速器会根据最大风能利用系数推到出对应的发电机转速和变频器输出转矩，进而实现MPPT过程。

1.3上位机监控系统
监控上位机应用软件为用户提供了可视的操作界面，主要包括三大功能：风速模拟功能、实时监控功能、历史数据功能。其界面如下:

监控系统界面图

风速模拟功能
研旭根据多年高校、科研单位的意见回馈，设计此风速模拟器功能。
研旭设计的风机模型共有3种，分别是最简线性VF模型、定叶尖速比VF控制模型、矢量控制模型。

实时监控功能

算法功能
监控软件中还具备算法研究界面，即电网定向矢量算法。通过以下图所示界面用户可以非常清晰的了解算法的结构，同时可以获取每个步骤的计算结果值，以便仿真分析。试验者可以在下面界面输入有功率电流、无功电流的值，查看定子并网的实际情况。

机侧PWM实验界面

历史数据功能
采用数据库对系统所有有效数据进行保存。这样用户就可以通过数据库访问到实验过程中所有数据的变化情况，以便分析实验结果。数据库可以通过联机方式进行访问，我们只需在本地主机安装数据库，在相同的网络中，所有节点都可以访问此数据库。

数据库界面

低电压穿越功能
变流器配备有低电压穿越的功能，支持风机的低电压穿越实验。低电压穿越测试按照下图曲线进行测试，测试系统在每个测试点能够不脱网运行。这个实验要求实验室具备电网模拟器。

1.4风力发电系统实验例程
1）直驱式风力发电系统整体原理认知实验（基础）
2）自然风模拟操作实验（基础）
3）风力背靠背变流器操作实验（基础）
4）发电机转速与输出电压关系实验（验证）
5）背靠背式变流器电压采集实验（验证）
6）发电机标量式定功率并网实验（验证）
7）发电机矢量式MPPT并网实验（研究）
8）背靠背变流器控制方法研究实验（创新）
9）控制采集板、驱动功率板等板卡硬件原理（开源）
10）DSP的入门、使用和烧写实验（开源）
11）CCS软件使用（开源）
12）软件开发流程讲解（开源）

2、半实物仿真系统详细技术方案

YXSPACE-SP2000简介
研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示：

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件，下载至YXSPACE控制器中运行。

研旭YXSPACE-VIEW2000软件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。YXSPACE-VIEW2000包括了6类组态控件，分别为遥控控件、遥信控件、遥调控件、遥测控件、示波器控件以及文字编辑控件等。用户可以借助这些控件，直观、方便的搭建监控界面，监控控制器内部运行的详细信息。

SP2000控制器资源
研旭SP2000采用外扩插卡式结构，简洁轻便，板卡资源如下：

实物图片 ：

YXSPACE独特优点
（1）采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU，其仿真结果针对实际研究更具有参考性；
（2）在Matlab中设计的控制算法自动生成代码，自动加载到实时目标机中运行，避免了繁琐的编程和Debug工作
（3）使用门槛低，会Matlab仿真即可完成实验测试工作，所有测试工作只需一人即可完成
（4）模型与硬件接口链接简单，只需记住端口编号即可，更不用配置硬件各类细节，免去一切不必要的麻烦；
（5）性价比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
（6）具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件，可适用于各种工程调试需求。
（7）模型转换文件的透明化，用户可直接查看模型转换后的源码。

YXSPACE-VIEW2000软件
研旭公司专门为SP2000研发了一套上位机监控软件VIEW2000软件。
VIEW2000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。

 组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。

在实际使用中，用户只需用鼠标拖动各类控件，移至工作区当中，位置根据需求随意放置。双击控件即可设置控件的地址号，这样可完成控件与模型或者硬件的建立关系，操作及其简便。