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ZN-SF01A型 双馈风力发电机模拟试验系统
一、建设目标
建设可供本科生完整了解和掌握大功率风力发电基本原理和并网接入技术，进行实验验证和设计的教学实验平台；建立满足教师和研究生科研需要的风力发电动态试验的科研平台；建立满足企业对风力发电系统学习、测试的公共服务平台。该平台具有技术先进、体系开放、可视性强、直观性好、功能多样、以及贴近工程实际的优点。二、建设内容和实施方案
2.1 总体方案整个风力发电动态模拟实验室系统框图如图1所示，由图可知，该系统主要包括网络控制系统、PLC主控系统、偏航变浆系统、风力机模拟系统、变流系统、检测系统、安全保护系统及触摸屏八大部分。以下各节依次对各子系统方案作具体阐述。
2.2 网络控制系统
1） LABVIEW开发环境下开发包含基于风速模型的风能模拟以及风轮模型等，帮助师生掌握和开发包括风能特性以及风机基本工作原理，具有可视化、模型可选、参数可调等特点，可开展变桨控制、偏航控制等上机实验；
2） 可同时用于15人次(一人一台计算机)的实验教学工作，任意时刻实际风力发电动态模拟硬件平台只响应一台计算机的控制命令。
2.3 主控系统
采用西门子的S7-317 PLC作为主控制器，系统软件用程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对主程序进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有全面的保护功能和一定的智能性；人机界面友好、方便操作。主程序流程如图2所示。
1） LABVIEW开发环境下开发包含基于风速模型的风能模拟以及风轮模型等，帮助师生掌握和开发包括风能特性以及风机基本工作原理，具有可视化、模型可选、参数可调等特点，可开展变桨控制、偏航控制等上机实验；
2） 可同时用于15人次(一人一台计算机)的实验教学工作，任意时刻实际风力发电动态模拟硬件平台只响应一台计算机的控制命令。
2.3 主控系统
采用西门子的S7-317 PLC作为主控制器，系统软件用程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对主程序进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有全面的保护功能和一定的智能性；人机界面友好、方便操作。主程序流程如图2所示。
2.4 偏航变浆系统
偏航变浆系统实验示意图如图3所示，其主要包括风轮模拟系统、S7-226 PLC控制器、变浆闭环控制和偏航闭环控制四个部分。
1） 风轮模拟系统。用电风扇转动吹风来模拟实际风场风速，自制的小型风标上安装有自制的风速传感器和风向传感器，分别测得电风扇所产生风的风速和风向；另外，为模拟实际桨叶的偏航和变浆运动，特采用如图3所示的转动平台的水平圆周运动来模拟偏航运动，位于转动平台中心的桨叶的水平圆周运动来模拟实际的变浆运动。实验效果表现为：当电风扇摇头时，转动平台始终保持与电风扇同步摇头；当电风扇风速档位由一档依次调到三档(设定风扇一档为低速，三档为高速)时，桨叶逐渐偏离*初的迎风面积*大的方向。
偏航变浆系统实验示意图如图3所示，其主要包括风轮模拟系统、S7-226 PLC控制器、变浆闭环控制和偏航闭环控制四个部分。
1） 风轮模拟系统。用电风扇转动吹风来模拟实际风场风速，自制的小型风标上安装有自制的风速传感器和风向传感器，分别测得电风扇所产生风的风速和风向；另外，为模拟实际桨叶的偏航和变浆运动，特采用如图3所示的转动平台的水平圆周运动来模拟偏航运动，位于转动平台中心的桨叶的水平圆周运动来模拟实际的变浆运动。实验效果表现为：当电风扇摇头时，转动平台始终保持与电风扇同步摇头；当电风扇风速档位由一档依次调到三档(设定风扇一档为低速，三档为高速)时，桨叶逐渐偏离*初的迎风面积*大的方向。
图3偏航变浆系统实验示意图
2） S7-226 PLC控制器。该PLC控制器包括用于与主控制器S7-317 PLC进行通信的RS485通信接口、用于进行闭环控制算法计算的中央处理器CPU226模块、用于进行变浆闭环控制的1号EM253定位模块、用于进行偏航闭环控制的2号EM253定位模块。
3） 变浆闭环控制。首先根据测得的风速计算出当前的*佳浆距角β*，与实际的位置信号1，即实际浆距角β进行比较，进行闭环控制后经1号EM253定位模块发出脉冲信号，*后经1号V80驱动器驱动100W的伺服电机1带动桨叶作水平圆周运动，实现变浆的目的。
4） 偏航闭环控制。首先根据测得的风向计算出应跟踪的方位角α*，与实际的位置信号2，即实际电动转台的方位角α进行比较，进行闭环控制后经2号EM253定位模块发出脉冲信号，*后经2号V80驱动器驱动100W的伺服电机2带动电动转台作水平圆周运动，实现偏航的目的。
偏航变浆硬件清单如表1所示。
表1 偏航变浆硬件清单
2.5 风力机模拟系统
在风力发电系统的研究中广泛采用了风机模拟技术，以获得脱离自然风环境的可控实验平台。所谓风机模拟，主要模拟的对象是风力发电系统中的机械部分，也就是将风能转换为机械能的部分。而风机模拟的主要目的，是要在脱离自然风的环境下重现风力机在不同运行状态时的机械特性。风轮模拟拖动装置有两种方案：直流调速系统或者交流调速系统，以下将分别阐述此两种方案，并进行比较选择。
2.5.1 直流电机模拟方案
图4是基于直流电机的风机模拟系统示意图，具体原理为将真实风机的特性曲线转换成适合所使用直流电机功率大小的风机模型的特性曲线，然后构造一个转矩计算器，对直流电机转矩进行控制，从而实现直流电机对风机特性的模拟。
图8 变速恒频直驱型永磁同步风力发电系统示意图
2） S7-226 PLC控制器。该PLC控制器包括用于与主控制器S7-317 PLC进行通信的RS485通信接口、用于进行闭环控制算法计算的中央处理器CPU226模块、用于进行变浆闭环控制的1号EM253定位模块、用于进行偏航闭环控制的2号EM253定位模块。
3） 变浆闭环控制。首先根据测得的风速计算出当前的*佳浆距角β*，与实际的位置信号1，即实际浆距角β进行比较，进行闭环控制后经1号EM253定位模块发出脉冲信号，*后经1号V80驱动器驱动100W的伺服电机1带动桨叶作水平圆周运动，实现变浆的目的。
4） 偏航闭环控制。首先根据测得的风向计算出应跟踪的方位角α*，与实际的位置信号2，即实际电动转台的方位角α进行比较，进行闭环控制后经2号EM253定位模块发出脉冲信号，*后经2号V80驱动器驱动100W的伺服电机2带动电动转台作水平圆周运动，实现偏航的目的。
偏航变浆硬件清单如表1所示。
表1 偏航变浆硬件清单
| 名 称 | 规 格 | 厂 家 | 数 量 | 价 格 |
| 西门子S7-226 PLC | ||||
| EM253控制模块 | ||||
| V80驱动器 | ||||
|
100W伺服电机 (含光电码盘) |
||||
| 风标 | ||||
| 电动转台 | ||||
| 桨叶 | ||||
| 风速传感器 | ||||
| 风向传感器 |
在风力发电系统的研究中广泛采用了风机模拟技术，以获得脱离自然风环境的可控实验平台。所谓风机模拟，主要模拟的对象是风力发电系统中的机械部分，也就是将风能转换为机械能的部分。而风机模拟的主要目的，是要在脱离自然风的环境下重现风力机在不同运行状态时的机械特性。风轮模拟拖动装置有两种方案：直流调速系统或者交流调速系统，以下将分别阐述此两种方案，并进行比较选择。
2.5.1 直流电机模拟方案
图4是基于直流电机的风机模拟系统示意图，具体原理为将真实风机的特性曲线转换成适合所使用直流电机功率大小的风机模型的特性曲线，然后构造一个转矩计算器，对直流电机转矩进行控制，从而实现直流电机对风机特性的模拟。
由于风机模拟主要是控制直流电机输出转矩按照风机特性变化，而他励直流电机的转矩和电流成正比，因此直接控制电枢电流就可控制电机输出转矩按照期望规律变化。由直流电机数学模型可知：当保持直流电机励磁恒定时，直流电机的输出转矩与电枢电流成正比，因此要控制直流电机再现风力机的输出转矩，只需控制直流电机的电流既可。根据模拟方案的不同，当采用直接转矩控制模拟方案时，对直流电机采用单电流环控制。具体为：上位机直接将风速和风机特性数据传到DSP，而DSP通过实时计算，得到与当前转速对应的风机转矩，将转矩换算成对应的电枢电流，利用电流环调节器对电枢电流进行调节，即对直流电机进行单电流环控制，从而输出所需转矩，完成风机模拟。该转矩控制方案的控制框图如图5所示。
2.5.2 交流电机模拟方案
要使异步电机电磁转矩与风力机输出转矩相同可理解为使异步电机拖动一个与风机转矩相同的负载。因此，建立的模拟系统把风机的输出转矩加到电机负载端，另外据P＝Tω知二者转速也应保持一致。由于风力发电过程中，风力机接收到的风能是从风能低速轴，经齿轮箱升速，传递到发电机高速轴的，因此，异步电机反馈的转速需经齿轮箱传动比换算后，再送入风力机模型计算转矩。传动比为1时，便可用于模拟直驱型风力发电机组。根据以上分析，基于交流电机的风力机模拟系统的结构如图6所示。
要使异步电机电磁转矩与风力机输出转矩相同可理解为使异步电机拖动一个与风机转矩相同的负载。因此，建立的模拟系统把风机的输出转矩加到电机负载端，另外据P＝Tω知二者转速也应保持一致。由于风力发电过程中，风力机接收到的风能是从风能低速轴，经齿轮箱升速，传递到发电机高速轴的，因此，异步电机反馈的转速需经齿轮箱传动比换算后，再送入风力机模型计算转矩。传动比为1时，便可用于模拟直驱型风力发电机组。根据以上分析，基于交流电机的风力机模拟系统的结构如图6所示。
图6 风力机模拟系统结构图
由图6可见：此方案基于交流电机的动态风机模拟系统主要由5.5kW变频器和5.5kW异步电动机组成。变频器通过串行通信接收来自PLC的转速指令驱动异步电机转动，从而拖动永磁同步发电机空载或并网发电运行。PLC作为动态风机模拟系统的控制器，其采集风速信号（亦可以产生风速），从光电编码盘获得电机转速与位置信息，经过相应的风机模拟器程序运算将电磁转矩指令输给矢量变频器TD3000，变频器通过控制输出定子电压控制异步电动机的电磁转矩，使得异步电动机能够为发电机提供类似于实际风机特性的机械转矩。原动机部分主要由三部分组成，一台2对极，额定转速为1500r/min，额定功率为5.5kW的笼型异步电动机；一块与变频器模拟信号给定相连的接口电路，其主要完成模拟系统控制器脉冲输出转矩信号的整形滤波与相关计算；一台爱默生（Emerson）公司变频器TD3000，按照转速给定进行电动机的转矩控制。原动机实为一个转矩控制的伺服系统，使得风机模拟器输出转矩具有实际驱动意义。原动机直接采用矢量变频器进行控制，主要是为了节约时间、突出重点，完成风机动态模拟任务。
2.6 变流器系统
2.6.1 总体硬件平台
当前主流的风力发电系统包括：（1）变速恒频直驱型永磁同步风力发电系统；（2）变速恒频双馈感应（DFIG）风力发电系统。如图7所示，DFIG风力发电系统采用1/3部分功率电力电子接口具有成本较低、体积较小但效率略低且需要变速箱（维护成本高）的特点，目前应用*为广泛；而直驱永磁风力发电系统采用全功率电力电子接口、无需变速箱、运行范围宽以及效率较高等优点，发展迅速，应用较广，是近海大型风电机组的发展趋势，如图8所示，本实验室拟构建基于上述两种主流风力发电技术的实验平台。
为了加快实验室的建设，早日并更好地为师生教学和科研服务，将分步予以实施：
第一步，构建变速恒频直驱型永磁同步电机风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的直驱型风力发电系统的动态模拟实验条件，能满足相关教学和科研的要求。
第二步，构建变速恒频双馈感应风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的双馈型风力发电系统的动态模拟实验条件，满足相关教学和科研的要求。
图7 变速恒频双馈感应风力发电示意图
由图6可见：此方案基于交流电机的动态风机模拟系统主要由5.5kW变频器和5.5kW异步电动机组成。变频器通过串行通信接收来自PLC的转速指令驱动异步电机转动，从而拖动永磁同步发电机空载或并网发电运行。PLC作为动态风机模拟系统的控制器，其采集风速信号（亦可以产生风速），从光电编码盘获得电机转速与位置信息，经过相应的风机模拟器程序运算将电磁转矩指令输给矢量变频器TD3000，变频器通过控制输出定子电压控制异步电动机的电磁转矩，使得异步电动机能够为发电机提供类似于实际风机特性的机械转矩。原动机部分主要由三部分组成，一台2对极，额定转速为1500r/min，额定功率为5.5kW的笼型异步电动机；一块与变频器模拟信号给定相连的接口电路，其主要完成模拟系统控制器脉冲输出转矩信号的整形滤波与相关计算；一台爱默生（Emerson）公司变频器TD3000，按照转速给定进行电动机的转矩控制。原动机实为一个转矩控制的伺服系统，使得风机模拟器输出转矩具有实际驱动意义。原动机直接采用矢量变频器进行控制，主要是为了节约时间、突出重点，完成风机动态模拟任务。
2.6 变流器系统
2.6.1 总体硬件平台
当前主流的风力发电系统包括：（1）变速恒频直驱型永磁同步风力发电系统；（2）变速恒频双馈感应（DFIG）风力发电系统。如图7所示，DFIG风力发电系统采用1/3部分功率电力电子接口具有成本较低、体积较小但效率略低且需要变速箱（维护成本高）的特点，目前应用*为广泛；而直驱永磁风力发电系统采用全功率电力电子接口、无需变速箱、运行范围宽以及效率较高等优点，发展迅速，应用较广，是近海大型风电机组的发展趋势，如图8所示，本实验室拟构建基于上述两种主流风力发电技术的实验平台。
为了加快实验室的建设，早日并更好地为师生教学和科研服务，将分步予以实施：
第一步，构建变速恒频直驱型永磁同步电机风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的直驱型风力发电系统的动态模拟实验条件，能满足相关教学和科研的要求。
第二步，构建变速恒频双馈感应风力并网发电动态模拟平台，将能够提供完整的双馈型风力发电系统的动态模拟实验条件，满足相关教学和科研的要求。
图7 变速恒频双馈感应风力发电示意图
图8 变速恒频直驱型永磁同步风力发电系统示意图
2.6.2 核心硬件单元
变流器核心硬件框图如图9所示，主要由以下几部分组成：（1）电子开关柔性负载，可以是对称的或不对称的、线性或非线性的感性、容性负载；（2）基于三相六桥臂的逆变器主电路；（3）信号检测电路，包括检测三相电网电压、逆变器输出的三相电流及逆变桥直流侧电压；（4）DSP控制器；（5）基于FPGA的6路PWM波形发生器；（6）信号放大、隔离与驱动电路。
具体工作原理为：用电压传感器检测三相电压ea、eb和ec，经过锁相环可以得到电网电压同步信号，用电流传感器检测负载的三相电流ia、ib和ic，用电压传感器直流侧稳压电容的电压udc，将udc送入直流电压调节器与指令电压uref比较产生有功电流id*，三相电流ia、ib和ic经过PARK变换得到实际的有功电流成分id和无功电流成分iq；id*、iq*、id和iq经过同步旋转矢量电流PI控制算法的计算可以得到调制度m，以上算法均在DSP控制器进行，DSP控制器将计算*终的结果m、锁相环相位角θ和锁相频率fnet通过SPI总线传输送到FPGA；FPGA负责采用空间矢量脉宽调制SVPWM算法形成6路带有死区的PWM触发信号，*后通过光耦隔离驱动电路将FPGA输出的PWM信号经过放大，隔离，形成具有真正驱动能力的驱动信号去驱动逆变器主电路的各个功率开关管。
变流器核心硬件框图如图9所示，主要由以下几部分组成：（1）电子开关柔性负载，可以是对称的或不对称的、线性或非线性的感性、容性负载；（2）基于三相六桥臂的逆变器主电路；（3）信号检测电路，包括检测三相电网电压、逆变器输出的三相电流及逆变桥直流侧电压；（4）DSP控制器；（5）基于FPGA的6路PWM波形发生器；（6）信号放大、隔离与驱动电路。
具体工作原理为：用电压传感器检测三相电压ea、eb和ec，经过锁相环可以得到电网电压同步信号，用电流传感器检测负载的三相电流ia、ib和ic，用电压传感器直流侧稳压电容的电压udc，将udc送入直流电压调节器与指令电压uref比较产生有功电流id*，三相电流ia、ib和ic经过PARK变换得到实际的有功电流成分id和无功电流成分iq；id*、iq*、id和iq经过同步旋转矢量电流PI控制算法的计算可以得到调制度m，以上算法均在DSP控制器进行，DSP控制器将计算*终的结果m、锁相环相位角θ和锁相频率fnet通过SPI总线传输送到FPGA；FPGA负责采用空间矢量脉宽调制SVPWM算法形成6路带有死区的PWM触发信号，*后通过光耦隔离驱动电路将FPGA输出的PWM信号经过放大，隔离，形成具有真正驱动能力的驱动信号去驱动逆变器主电路的各个功率开关管。
图13 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。
3.3 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
3.3.1 空载特性测试
如图14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14 永磁同步电机空载特性测试
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。
3.3 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
| 编号 | 名称 | 学生人数 | 类型 |
| 1 | 异步电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 2 | 异步电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 3 | 永磁同步发电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 4 | 永磁同步发电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 5 | 电力电子接口启动并网和运行实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 6 | 电力电子接口正常停机实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 7 | 电力电子接口异常停机实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 8 | 风力发电机启动并网实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 9 | 风力发电机正常停机实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 10 | 风力发电机异常停机 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 11 | 风力发电机正常运行实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 12 | 风力发电机脱网保护实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 13 | 网侧动态无功补偿实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
如图14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14 永磁同步电机空载特性测试
表3 n- Udc 测量记录
3.3.2 负载特性测试
如图15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*大功率点。
图15 永磁同步电机带载特性测试
| 转速n (rpm) | n1 | n2 | n3 | n4 | n5 | n6 | … | ni |
| 电势Udc (V) |
如图15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*大功率点。
图15 永磁同步电机带载特性测试
表4 I- Udc 测量记录
3.3.3 电力电子接口并网运行实验
如图16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16 人电力电子接口并网运行实验
3.3.4 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*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17 永磁同步电机并网运行实验
| 转速 | n1 | n2 | n3 | n4 | n5 | … | ni | |||||||
| Udc | I | Udc | I | Udc | I | Udc | I | Udc | I | Udc | I | Udc | I | |
| 1 | ||||||||||||||
| 2 | ||||||||||||||
| 3 | ||||||||||||||
| … | ||||||||||||||
| i | ||||||||||||||
如图16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16 人电力电子接口并网运行实验
3.3.4 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*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17 永磁同步电机并网运行实验
3.3.5 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*大功率点上，计算并网电流的谐波畸变和功率因数。
3.3.7 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。
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*大功率点上，计算并网电流的谐波畸变和功率因数。
3.3.7 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18 脱网保护实验
3.3.8 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。
n 风速与输出功率特性实验
n 风能*大功率捕获验证实验
n 系统控制编程实验
n 网络功能远程控制实验
n I/O控制实验等
如图19所示，系统主要由监控装置、风轮模拟拖动装置以及双馈感应电机并网发电装置三部分组成，主要软硬件如表5所示。机组额定功率取5.5kW，原因同上。
表5 双馈式实验系统的主要软硬件清单
3.3.8 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。
n 风速与输出功率特性实验
n 风能*大功率捕获验证实验
n 系统控制编程实验
n 网络功能远程控制实验
n I/O控制实验等
四、双馈式风力并网发电动态模拟平台
4.1 实验装置如图19所示，系统主要由监控装置、风轮模拟拖动装置以及双馈感应电机并网发电装置三部分组成，主要软硬件如表5所示。机组额定功率取5.5kW，原因同上。
表5 双馈式实验系统的主要软硬件清单
| 名 称 | 规 格 |
| 台式个人电脑 | |
| PLC可编程控制器 | 含数字量输入输出、模拟量输入输出、网络模块等 |
| 感应电机 | 5.5kW,1500rpm |
| 5.5kW变频器 | 5.5kW,1500rpm |
| 双馈感应异步发电机 |
5kW,1500rpm 额定相电压为160～220V（有效值） |
| 网侧整流器 |
3相桥IPM模块组成（1200V，75A） 3个20A 10mH 电抗器 |
| 转子侧逆变器 | 3相桥IPM模块组成（1200V，75A） |
| DSP控制器 | 基于DSP28335的控制器（开发系统） |
| 单路接触器开关 | 电流50A（网侧整流器启动） |
| 三相接触器开关 | 相电流30A（转子侧逆变器启动） |
| 电机转矩传感器 | |
| 电机光电测速码盘 | |
| 电压电流传感器等 | |
| PLC编程软件 | 同直驱式实验平台 |
| 组态软件 | 同直驱式实验平台 |
| 其他元件 | 如液晶显示、操作面板、传感器等 |
图19 变速恒频双馈感应风力并网发电动态模拟系统
4.1.1 监控装置
与直驱型类似。
4.1.2 双馈感应异步发电机并网发电装置
如图20所示双馈感应异步发电机并网发电装置主要由5kW双馈感应异步发电机、电力电子并网接口（由网侧整流器、转子侧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*大风能捕获、并网发电运行等。
4.1.1 监控装置
与直驱型类似。
4.1.2 双馈感应异步发电机并网发电装置
如图20所示双馈感应异步发电机并网发电装置主要由5kW双馈感应异步发电机、电力电子并网接口（由网侧整流器、转子侧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*大风能捕获、并网发电运行等。
图20 双馈感应异步发电机并网发电装置
DSP控制系统根据双馈电机的转子位置和转速产生相应的PWM信号，控制双馈电机定子的功角，将尽可能多的风能送至电网。
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。
4.2 系统软件
主程序主要完成系统运行前的一些初始化与准备工作，主程序的功能包括DSP核心控制器的初始化，变量初始化，通用I/O口的初始化，事件管理器EVA、EVB的初始化等，主程序流程框图如图21所示。
DSP控制系统根据双馈电机的转子位置和转速产生相应的PWM信号，控制双馈电机定子的功角，将尽可能多的风能送至电网。
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。
4.2 系统软件
主程序主要完成系统运行前的一些初始化与准备工作，主程序的功能包括DSP核心控制器的初始化，变量初始化，通用I/O口的初始化，事件管理器EVA、EVB的初始化等，主程序流程框图如图21所示。
图21 双馈风力发电控制主程序流程图
使用DSP来控制网侧PWM变换器时，由于我们采用的是电网电压定向矢量控制，因此系统的输入就是电网电压和电流的幅值和相位，而系统的输出是PWM控制信号。在每个控制周期中，控制程序利用电压和电流幅值和相位数据，通过坐标变换、PI调节和解耦运算，输出控制目标所需的PWM控制信号，从而完成对母线电压和输出电流的实时控制。
双馈电机系统软件设计的重要部分就是 PWM 中断服务程序的设计，因为电压电流信号的采样处理、控制器的计算，以及出现故障时的保护等都是在中断服务程序中完成的。程序的编写要注意以下几个方面。进入中断服务程序程序要保护现场以避免数据丢失，在中断服务程序程序中要生成驱动 IGBT 所需的 PWM 信号，而 PWM 的频率为 10kHz，因此每次响应中断的时间只有大约100 微秒，因此软件的编写要十分讲究效率。在跳出中断时还需要注意清除二级中断标志位。PWM 中断服务程序流程框图如图22所示。
使用DSP来控制网侧PWM变换器时，由于我们采用的是电网电压定向矢量控制，因此系统的输入就是电网电压和电流的幅值和相位，而系统的输出是PWM控制信号。在每个控制周期中，控制程序利用电压和电流幅值和相位数据，通过坐标变换、PI调节和解耦运算，输出控制目标所需的PWM控制信号，从而完成对母线电压和输出电流的实时控制。
双馈电机系统软件设计的重要部分就是 PWM 中断服务程序的设计，因为电压电流信号的采样处理、控制器的计算，以及出现故障时的保护等都是在中断服务程序中完成的。程序的编写要注意以下几个方面。进入中断服务程序程序要保护现场以避免数据丢失，在中断服务程序程序中要生成驱动 IGBT 所需的 PWM 信号，而 PWM 的频率为 10kHz，因此每次响应中断的时间只有大约100 微秒，因此软件的编写要十分讲究效率。在跳出中断时还需要注意清除二级中断标志位。PWM 中断服务程序流程框图如图22所示。
图22 双馈风力发电控制中断服务程序流程图
4.3 主要实验
目前实验平台可进行的实验如表6所示。
表6 实验平台开设实验表
异步电机及双馈感应电机实验与直驱式实验系统中的类似，下面主要描述发电及并网的实验。
4.3.1 风力发电机启动并网和停机操作实验
A、启动并网操作：并网闸刀K1合上，网侧工作；合上闸刀K1后，启动变频器驱动感应电机来拖动双馈感应电机发电，然后闭合K2并网，并网成功后系统实行*大功率跟踪直至系统工作在*大功率点上。测量和记录发电机转速、转子逆变器输出电压和电流的频率和暂态、稳态的波形、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双馈感应电机发电，逐步降低发电机转速，当发电机转速低于切入转速时，K2打开，转子逆变器停止工作，K1打开，然后网侧逆变器停止工作。测量发电机转速、转子逆变器输出电压和电流的频率和暂态、稳态的波形、并网电流和电网电压的波形。
C、异常停机操作：PLC实时检测感应电机、双馈感应电机、转子逆变器的电压、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。
n 永磁型风力发电机设计
可进行多种结构的永磁型风力发电机设计的研究，如轴向磁场型、横向磁通型、混合励磁型等，在平台上可进行风力发电机样机的性能测试，测量发电机的转速、转矩、负载特性等，为设计提供科学参考。
n 逆变器设计与实现
逆变器是风力发电机系统中的重要部件，也是*适合在高校中进行研究的部分，可进行的研究工作有很多，部分如下：
Ø 整流环节的研究：可进行不控、半控、全控和PWM整流的研究
Ø 逆变器拓扑结构的研究：可进行背靠背等多种拓扑结果的研究
Ø 并网算法的研究
Ø *大风能捕获的算法研究
Ø 功率因数校正（PFC）的研究
Ø 谐波抑制技术的研究等
实验平台将提供逆变器的硬件平台，可供学院老师参考，也可直接在逆变器硬件平台上研究相应算法。
n 机械设备故障诊断技术研究
在平台硬件的基础上添加若干振动信号传感器，可安置在发电机端盖等处，将传感器信号接入PLC，并在计算机中采集保存。这些振动数据可用于研究基于振动测试技术的发电机动偏心、静偏心、轴承外套、内套、滚珠和保持架等故障、铁芯或线圈松动、绕组匝间短路等多种故障诊断技术，通过傅立叶分析、小波变换等数字信号处理技术研究基于特征频谱提取的智能辨识技术，还可以研究基于专家系统、人工神经网络、模糊技术的风力发电机在线检测和诊断系统技术等。
n 风力发电知识普及
可为各类学生及社会人士演示风力发电系统的工作过程，普及风力发电知识。
n 风力发电系统知识培训
可为风电企业进行相关人员的上岗培训，实验室可作为动手培训实验室，合格的人员可颁发相应证书。
n 风力发电机及逆变器测试
平台可为风力发电机样机或逆变器样机提供测试服务，出具测试报告。
4.3 主要实验
目前实验平台可进行的实验如表6所示。
表6 实验平台开设实验表
| 编号 | 名称 | 学生人数 | 类型 |
| 1 | 异步电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 2 | 异步电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 3 | 双馈感应电机空载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 4 | 双馈感应电机负载实验 | 每套机组3~5人 | 设计型 |
| 5 | 风力发电机启动并网实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 6 | 风力发电机正常停机实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 7 | 风力发电机异常停机 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 8 | 风力发电机正常运行实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
| 9 | 风力发电机脱网保护实验 | 每套机组5~8人 | 设计型 |
4.3.1 风力发电机启动并网和停机操作实验
A、启动并网操作：并网闸刀K1合上，网侧工作；合上闸刀K1后，启动变频器驱动感应电机来拖动双馈感应电机发电，然后闭合K2并网，并网成功后系统实行*大功率跟踪直至系统工作在*大功率点上。测量和记录发电机转速、转子逆变器输出电压和电流的频率和暂态、稳态的波形、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双馈感应电机发电，逐步降低发电机转速，当发电机转速低于切入转速时，K2打开，转子逆变器停止工作，K1打开，然后网侧逆变器停止工作。测量发电机转速、转子逆变器输出电压和电流的频率和暂态、稳态的波形、并网电流和电网电压的波形。
C、异常停机操作：PLC实时检测感应电机、双馈感应电机、转子逆变器的电压、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。
4.3.2 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，改变双馈感应异步发电机转速，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*大功率点上，计算并网电流的谐波畸变和功率因数。
4.3.3 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，控制系统减小并网电流至零，K2打开，然后K1打开，完成脱网，随后双馈感应异步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。
风力发电机已完成并网正常运行，改变双馈感应异步发电机转速，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*大功率点上，计算并网电流的谐波畸变和功率因数。
4.3.3 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，控制系统减小并网电流至零，K2打开，然后K1打开，完成脱网，随后双馈感应异步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。
五、科学研究
该平台不仅是教学实验平台，还可以为科学研究提供支持，在此平台上可进行如下科研：n 永磁型风力发电机设计
可进行多种结构的永磁型风力发电机设计的研究，如轴向磁场型、横向磁通型、混合励磁型等，在平台上可进行风力发电机样机的性能测试，测量发电机的转速、转矩、负载特性等，为设计提供科学参考。
n 逆变器设计与实现
逆变器是风力发电机系统中的重要部件，也是*适合在高校中进行研究的部分，可进行的研究工作有很多，部分如下：
Ø 整流环节的研究：可进行不控、半控、全控和PWM整流的研究
Ø 逆变器拓扑结构的研究：可进行背靠背等多种拓扑结果的研究
Ø 并网算法的研究
Ø *大风能捕获的算法研究
Ø 功率因数校正（PFC）的研究
Ø 谐波抑制技术的研究等
实验平台将提供逆变器的硬件平台，可供学院老师参考，也可直接在逆变器硬件平台上研究相应算法。
n 机械设备故障诊断技术研究
在平台硬件的基础上添加若干振动信号传感器，可安置在发电机端盖等处，将传感器信号接入PLC，并在计算机中采集保存。这些振动数据可用于研究基于振动测试技术的发电机动偏心、静偏心、轴承外套、内套、滚珠和保持架等故障、铁芯或线圈松动、绕组匝间短路等多种故障诊断技术，通过傅立叶分析、小波变换等数字信号处理技术研究基于特征频谱提取的智能辨识技术，还可以研究基于专家系统、人工神经网络、模糊技术的风力发电机在线检测和诊断系统技术等。
六、公共服务
该平台完整、直观的演示了直驱型和双馈式风力发电系统的主要功能，可以为社会及相关风电企业提供公共服务，具体如下：n 风力发电知识普及
可为各类学生及社会人士演示风力发电系统的工作过程，普及风力发电知识。
n 风力发电系统知识培训
可为风电企业进行相关人员的上岗培训，实验室可作为动手培训实验室，合格的人员可颁发相应证书。
n 风力发电机及逆变器测试
平台可为风力发电机样机或逆变器样机提供测试服务，出具测试报告。
