TW-SW01直驱型风力并网发电动态模拟平台

一、实验装置

    如图1所示，系统主要由监控装置、风轮模拟拖动装置以及永磁同步电机并网发电装置三部分组成，主要软硬件如表2所示。机组额定功率取5kW，这个功率等级基本可以模拟风力发电机系统的真实情况，具备较好的显示效果，但又不会对电网有太大的冲击，对进行试验的学生来讲也较为安全；另外5kW的电机产品在重量、大小等方面都较为合适，电力电子器件的选型较容易。

发电实验台图

发电实验台图

1.1 监控装置

监控装置主要由PC机和PLC组成。PLC主要功能是采集实验平台各组成单元的各项数据（如电机的电压、电流和转速等，电力电子并网接口的电压、电流等）、启停并向变频器发出转速指令、向电力电子并网接口电路的DSP控制卡发出启停和并网指令、修改实验平台参数等，监视整个系统的工况。PC机的主要功能是将PLC采集到的数据存储以及以可视化的方式显示出来，便于直观了解系统的工况，另外用户还可以通过图形化的使用界面操作整个实验平台，比如启动风轮模拟拖动装置带动永磁同步发电机按某一转速转动、启动电力电子接口电力实现系统的并网和脱网等。

图1直驱型永磁同步电机风力并网发电动态模拟系统

系统结构图

表2 直驱式实验系统的主要软硬件清单

1.2 永磁同步电机并网发电装置

如图2所示，永磁同步电机并网发电装置主要由5kW永磁同步发电机、电力电子并网接口（由不控整流、boost直流升压电路、并网逆变器以及基于DSP的高性能控制器组成）。主要功能是实现最大风能捕获、并网发电运行等。

DSP根据检测到的发电机的电压和电流信号，经过处理后，控制boost升压电路将尽可能多的电能送至并网逆变器，并网逆变器将boost电路输送的电能变换为高质量的三相电能送至电网。

DSP控制器可通过串行通信接收来自PLC的指令改变并网电流的功率因数、实现并网发电装置的启停等。可直接与实验室中的电力系统并网，不需要其他附件装置。

实验室可配置多套变频器+异步电机+永磁发电机，共用一套并网电力电子装置，实验时错开实验内容及步骤，最大化的利用实验资源，提高设备利用率。

图2 永磁同步电机并网发电装置

二、 系统软件

    本风力发电系统由永磁同步电机，三相二极管整流电路，升压斩波电路和电压逆变电路构成。使用永磁励磁同步电机可以实现高一些的效率并且简化功率变换电路。采用结构简单，成本低廉的三相二极管整流器，能获得最大的线电压，基波功率因素近似为1。发电机和二极管整流器结合在一起如同一简单的直流电机。系统中的直流环节采用具有升压功能的Boost变换器，从前级Boost变换器来看，风力能量的变化主要表现为电流的变化，Boost变换器的输出端与逆变器的输入端连接。直流电经过直流斩波电路升压，再通过高功率因数的逆变器变换后将电能送入电网。采用不可控二极管整流器，由于缺乏励磁控制，永磁电机产生与电机转轴速度成比例的电动势，为了得到最佳的空气动力学上的效率，轴速要根据风速成正比变化。而永磁电机和二极管整流器系统是完全不可控的，因此要通过斩波器或者逆变器控制永磁电机获得的直流电流来实现对转矩的控制，从而得到理想的运行速度。

    主电路和控制框图如图3所示，为了得到宽的变速范围，通过三相二极管整流器和IGBT逆变器之间的升压斩波器，调节输入直流电流以跟从最优的参考电流从而跟踪风力机的最大功率点。连接在电网的PWM逆变器通过调节直流连接电压将电流送入公共电网。在逆变器控制结构中，采用d-q轴同步参坐标系，通过q轴电流控制有功功率，通过d轴控制无功功率，采用锁相环PLL检测电网电压相位角。

图3 功率变换控制结构图

    对于三相电网采用单相同步的方法很难准确的实现dq坐标系与电网三相电压合成矢量的同步，必须综合三相电压的相位信息。当电网电压幅值，即电压合成矢量Us的幅值不变时，Us的q轴分量Usq反映了d轴与电网电压Us的相位关系。Usq>0时，d轴滞后Us，应增大同步信号频率；Usq<0时，d轴超前Us，应减小同步信号频率；Usq=0时，d轴与Us同相。因此，可通过控制Usq，使Usq=0来实现两者之间的同相。基于这一思想,设计了一种采用DSP实现的三相软件锁相环(SPLL)。

图4所示是三相软件锁相环的结构框图，电网电压经坐标变换后得到Usq,经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率。用DSP实现时，一般采用DSP内部定时器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器和分频器的功能,因此可通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位。

图4三相软件锁相环结构框图

    电网电压和电流的幅值可以通过AD采样直接得到，而相位的检测主要有过零检测和软件锁相环两种方式。过零检测方法是使用比较器将分压后的电网电压信号与0电平进行比较，比较器输出的方波信号接到DSP的捕获管脚，DSP软件根据捕获中断确定每个电网周期的0度，并在每个控制周期对角度进行相应的累加，以得到电网电压相位。软件锁相环方法则是首先对采样的电网电压进行坐标变换，然后对电网电压的Q轴分量进行闭环控制，并在此过程中根据Q轴分量的控制偏差不断地对电网电压相位进行校正。

三、 主要实验

目前实验平台可进行的实验如表3所示。

表3 直驱式实验平台开设实验表

3.1 空载特性测试

如图5所示，通过变频器驱动异步电动机改变永磁同步发电机的转速n，测量并描绘出转速n和永磁同步发电机空载电势整流输出电压Udc之间的关系。

图5 永磁同步电机空载特性测试

表3 n- Udc 测量记录

3.2 负载特性测试

如图6所示，通过变频器驱动异步电动机改变永磁同步发电机的转速。固定转速n= ni（i=1,2.3,….）,改变负载可调电阻R，测量永磁同步发电机整流输出电压Udc和输出电流I，描绘在转速一定的情况下输出电流 I-输出电压Udc关系曲线以及输出功率P=UdcI-输出电流 I关系曲线，确定不同转速下的最大功率点。

图6 永磁同步电机带载特性测试

表4 I- Udc 测量记录

3.3 电力电子接口并网运行实验

如图7所示，用市电网接调压器模拟交流发电装置的交流输出，或将市电网、调压器结合整流器视作直流发电装置的输出，测试电力电子接口的性能是否正常，模拟风电机组或其他分布式发电装置的并网功能测试和操作实验。

A、启动并网和运行测试：并网闸刀K2合上，并网逆变器工作；合上闸刀K1后，启动直流升压变频器投入工作，从电网汲取电能并将它回馈回电网。测量和记录直流环节电压、并网电流和电网电压的暂态和稳态波形。改变回馈回电网的功率指令大小，记录直流环节电压、并网电流、电网电压波形等数据；通过调节调压器改变输入电压的大小，模拟实际输入电压的变化，记录直流环节电压、并网电流、电网电压波形等数据。

B、正常停机操作：直流升压变频器停止工作，K1打开，然后并网逆变器停止工作，K2打开。测量直流环节电压、并网电流和电网电压的波形。并网闸刀并网逆变器工作。

C、异常停机操作：PLC实时检测直流环节及并网环节的电压、电流等数据，当超过设定的安全数值范围，报警并依次打开K1、K2开关，停止电力电子接口的工作。

图7人电力电子接口并网运行实验

3.4 风力发电机启动并网和停机实验

A、启动并网操作：并网闸刀K2合上，并网逆变器工作；合上闸刀K1后，启动变频器驱动感应电机来拖动永磁同步电机发电，当发电机转速高于切入转速时，直流升压变频器投入工作，当转速稳定时，系统工作在最大功率点上。测量和记录发电机转速、直流环节电压、并网电流和电网电压的暂态和稳态波形。

B、正常停机操作：变频器驱动感应电机来拖动永磁同步电机发电，逐步降低发电机转速，当发电机转速低于切入转速时，直流升压变频器停止工作，K1打开，然后并网逆变器停止工作，K2打开。测量发电机转速、直流环节电压、并网电流和电网电压的波形。并网闸刀并网逆变器工作。

C、异常停机操作：PLC实时检测感应电机、永磁同步发电机、直流环节及并网环节的电压、电流等数据，当超过设定的安全数值范围，报警并打开K2、K1开关，停止变频器工作。

图8 永磁同步电机并网运行实验

3.5 风力发电机正常运行实验

风力发电机已完成并网正常运行，改变永磁发电机转速，测量记录发电机转速、直流环节电压、并网电流和电网电压的波形变化、以及并网输出功率的变化，确认系统工作稳态下始终在最大功率点上，计算并网电流的谐波畸变和功率因数。

3.6 脱网保护实验

通过调压器降低并网接入点的电压，但电压低于设定的值而并网电流过大时，K1打开，然后K2打开，完成脱网，随后永磁发电机逐步降低转速，实现停机。测量记录发电机转速、直流环节电压、并网电流和电网电压的波形变化、以及并网输出功率的变化。

图9 脱网保护实验

3.7 网侧动态无功补偿实验

通过PLC检测并网电流的功率因数和无功大小，发出无功补偿功率指令，并网逆变器执行无功补偿指令，测量记录发电机转速、直流环节电压、并网电流和电网电压的波形变化、以及并网输出有功和无功功率的变化。

除基本实验外，实验室还可以进一步开发以下实验，供演示或者验证。

风速与输出功率特性实验

风能最大功率捕获验证实验

系统控制编程实验

网络功能远程控制实验

I/O控制实验等