方案分享--直驱式风力发电实验仿真平台

如今，随着能源枯竭和环境污染的日益严重，风力发电已成为绿色可再生能源的重要途径。永磁直驱风力发电机不仅可以提高发电机的效率，而且由于发电机采用永磁结构，节省了刷、集电环等机械部件，提高了系统的可靠性，不需要电励磁装置，可以增加电机容量，减少体积。此外，风力的直驱也是当前的热点趋势。目前，大多数风力发电系统发电机与风轮不直接连接，而是通过变速齿轮连接。该机械装置不仅降低了系统效率，增加了系统成本，而且容易出现故障，这是风力发电迫切需要解决的瓶颈。直驱风力发电机可直接与风轮连接，增加系统稳定性，减少维护工作，降低噪音。因此，鉴于许多优点，国内各类科研单位都青睐永磁直驱风力发电的研究。

因此，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摇篮，科研实验室的早期研究和验证对风电技术的发展和进步起着至关重要的指导和促进作用。实验研究最直接有效的方法是将风力发电机与风力发电机连接起来进行现场实验。但鉴于所需的风场环境和体积大、结构复杂的叶片设备，实验室不能满足条件，只能在室外进行现场调试。但受环境、自然因素、天气条件等影响，现场实验困难，如无法自由改变风速，部分高风速极限试验只能在少数情况下实现，实验周期长，人力、物力、资金投资大；新理论、新技术未知，实验结果难以预测，现场调试风险大；电气设备操作安装不便，同一风力系统难以测试不同容量设备；这些因素需要模拟实验室组件模拟系统中实际风力机的实际工作特性。

为此，南京研旭电气科技有限公司设计了一套完整的永磁直驱风力发电实验模拟平台，模拟桨距。通过这个平台，研究人员可以研究永磁直驱风力发电机的真实工作特点，缩短研发周期，节省研究资金，便于全面深入研究风力发电系统的控制技术，具有重要的显示意义。

1.模拟风力发电系统-直驱风力发电系统(开放式)

1.直驱风力发电实验模拟平台组成

(1)直驱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)变流器开源软硬件数据。

(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模拟实际风力机；
2)三相异步调速电机通过联轴器驱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，逆变直流电符合并网要求
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，实现变频器
数据监控逆变器等设备的数据监控和记录保存；
6)风速调速器设备的主要目的是实现定桨角变速恒频的最大发电功率跟踪；

1.直驱风力发电实验模拟平台工作原理
（1）变频器
变频器驱动三相异步电机有两种模式，一种是标量控制，即V/F该模式不能实现发电功率的最大跟踪，但发电速度越快，发电功率越大；另一种是矢量控制，即扭矩控制。该模式的变频器根据特定的扭矩给电机。当电机运行到最佳速度时，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。将转速值发送到可控整流器，将转矩值发送到变频器，实现最大功率跟踪，即MPPT功能。矢量控制需要配备另一个特殊的调速器，该系统默认采用VF控制模式。

(2)对拖机组
机组由三相异步调速电机、联轴器和永磁同步发电机组成。三相异步电机为2对级，额定速度为1460r/min(有转差)。永磁同步发电机为定制永磁发电机，额定频率为100HZ，额定转速为1500r/min

(3)背靠背变流器
类似于刷双馈风力发电系统，连接发电机定子PWM变换器称为定子PWM变换器，连接电网PWM变换器称为并网PWM变换器。一般定子PWM在整流状态下工作的变换器也被称为PWM整流器，简称整流器)，并网PWM变换器状态下工作的变换器也被称为PWM逆变器，简称逆变器)。PMSG定子发出的电能PWM变换器转换为直流电，中间直流母线并联大电容起到稳压和储能缓冲的作用，最后通过并网PWM变换器转换为与电网频率相同的交流电，并网PWM变换器和定子PWM本休息结构完全相同，控制方案如下图所示。

PWM变换器可根据需要在整流状态或逆变状态工作，能量可双向流动（双馈风力发电系统必要，但直接驱动并网不需要此功能），定子侧电流和网络侧电流的大小和功率因数可调，整个双PWM变换器可以在四象限状态下工作。

在具体操作中，中PWM根据控制算法的不同，变换器各司其职。定子，无论哪种算法PWM变换器一般采用转子磁链定向控制PMSG正弦波形调节定子电流的速度和功率因数；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。直流母线电压可由定子制成PWM变换器控制也可以由并网控制PWM变换器控制，保持比电网振幅高的稳定值(以确保能量流动的方向，PWM为了向电网输送能量，整流可以升压)。如果由定子PWM如果变换器控制直流母线电压，并网PWM根据风速控制，变换器必须承担最大风能跟踪任务PMSG如果并网电流速或转速控制；PWM如果变换器控制直流母线电压，定子PWM变换器应承担最大风能跟踪任务，通常根据此时的风速控制PMSG转速达到最佳转速。能量流通常是从PMSG此时流向电网PMSG在正常发电状态下工作；但在PMSG能量可以从电网流动PMSG，使PMSG在电动状态下快速工作。

直驱风力发电系统运行控制方案

（4）调速器
调速器配合上位机、整流器和变频器，实现恒频发电机的最大功率跟踪。上位机给出桨角、叶片半径、旋转惯性等值后，调速器将根据最大风能利用系数推出相应的发电机转速和变频器输出扭矩，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
根据高校和科研单位多年的反馈，研旭设计了这种风速模拟器功能。
研旭设计的风扇模型有三种，分别是最简单的线性模型VF模型，叶尖速比VF矢量控制模型。

实时监控功能

算法功能
监控软件还有算法研究界面，即电网定向矢量算法。用户可以清楚地理解算法的结构，并获得每个步骤的计算结果值进行模拟分析。测试人员可以在下面的界面中输入功率电流和无功电流，以查看定子并网的实际情况。

机侧PWM实验界面

历史数据功能
使用数据库保存系统的所有有效数据。这样，用户就可以通过数据库访问实验过程中所有数据的变化，以分析实验结果。数据库可以在线访问。我们只需要在本地主机上安装数据库，所有节点都可以在同一网络中访问数据库。

数据库界面

低压穿越功能
变流器具有低压穿越功能，支持风扇的低压穿越实验。低压穿越试验按下图曲线进行，试验系统不能在每个试验点脱网。该实验要求实验室配备电网模拟器。

1.4风力发电系统试验
1)直驱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试验(验证)
5)背靠背变流器电压采集实验(验证)
6)发电机标量式定功率并网试验(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YXSPACE产品系列控制算法用户设计的图形高级语言的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO完成实际硬件控制。基本控制框图如下：

一般采用控制算法模型Matlab中的Simulink将模型中的接口与硬件驱动接口绑定，然后结合工具构建TI公司的CCS编译工具生成可执行文件，下载至YXSPACE在控制器中运行。

研旭YXSPACE-VIEW主要用于配置2000软件YXSPACE控制器的工作模式可以实时监控控制过程中的各种运行量，包括采集量、中控变量等。YXSPACE-VIEW2000年包括遥控器、遥信器、遥控器、遥控器、示波器和文字编辑器六种组态控件。借助这些控件，用户可以直观方便地构建监控界面，监控控制器内部运行的详细信息。

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

实图片 ：

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。