双馈风力发电实验仿真平台
双馈风力发电实验仿真平台
双馈风力发电实验仿真平台设计初衷
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。双馈电机变速恒频（VSCF）发电是通过对转子绕组的控制来实现的，而转子回路流动的功率是由发电机运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速设定在整个运行范围的中间。如果系统运行的转差率范围为+-30%，则最大转差功率仅为发电机额定功率的 30%，因此交流励磁变频器的容量可以大大减小，从而降低了成本。
该变换器如果加上良好的控制策略，则系统运行将具有优越的稳态和暂态运行性能，非常适用于风能这种随机性强的能源形势。因此国内外很多科研者都在研究变速恒频双馈即风力发电系统的若干关机技术，如空载柔性并网、最大功率点跟踪、低电压故障穿越等。
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双馈风力发电的实验仿真平台。通过此平台，研究人员可以研究双馈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。
双馈风力发电实验仿真平台组成
双馈风力发电实验仿真平台主要由以下设备组成，结构图见图 2-1 所示：
矢量变频器和三相异步调速电机来模拟实际的风力机；
三相异步调速电机通过联轴器带动双馈发电机发电；
发电机转子连接交流励磁变频器，通过励磁变频器对转子的控制，实现定子的并网；
双向变流器与励磁变频器通过直流母线连接，实现能量双向流动的目的，即可为转子提供励磁电流，也可以吸收转子产生的转差功率；
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、励磁变频器、双向变流器等设备的数据监控以及记录保存；
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；
具体实物图如下图 2-2 所示：
双馈风力发电实验仿真平台工作原理
3.1 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。
3.2 对托机组
机组由三相异步调速电机、联轴器、双馈发电机组成。其中三相异步电机采用 3 对级，额定转速 960r/min(存在转差）。双馈发电机为研旭专门定制发电机，3 对级，额定转速 1000r/min。
3.3 背靠背控制器
背靠背控制器由机侧 PWM 励磁变频器和网侧 PWM 双向变流器组成。机侧 PWM 励磁变频器主要目的就是为转子绕组提供励磁电流，其内部采用DSP 控制器，运行电网电压定向矢量控制模型。其控制算法框图如下图 3-1 所示：
PWM 励磁变频器在系统中控制非常关键。
双馈电机的变速运行是通过 PWM 励磁变频器在电机转子绕组中施加三相低频交流电实现的。调节励磁电流频率，可以确保定子侧输出频率保持恒定；采用矢量控制技术，调节励磁电流的幅值和相位，可以确保定子侧有功功率以及无功功率的控制互步干扰；当风速变化引起发电机的转速 n 变化时，应控制转子电流的频率 fs 使得定子输出频率 f1 保持恒定，器关系如下所示:
当发电机的转速 n2 低于定子磁场的同步旋转速度 n1 时，发电机处于次同步速度运行（如图 3-2 所示），此时变频器应向发电机转子提供正序励磁电流。从功率角度来说，电机轴上功率 PM 和转子输入功率 Pr 都以电磁功率的形式传递到定子侧，再回馈给电网 PS。当发电机转速 n2 高于定子磁场的同步旋转速度 n1时，发电机处于超同步速度运行（如下图 3-3 所示），此时变频器应向发电机转子提供负序励磁电流，保证定子磁场旋转速度与转子速度一致。从功率角度来说，就是电机轴上功率 PM，一部分转化为转差功率 Pr 通过转子侧变频器回馈到电网，另一部分转化为电磁功率，由定子回馈到电网上，定子输出功率为 PS
网侧 PWM 双向变流器实际就是一个双向电源，既可以将转子 PWM 变频器的直流能量逆变为符合并网要求的交流电能，也可以将电网的交流能量整流成直流能量提供给转子 PWM 变频器。 电压空间矢量控制是目前的主流算法。
3.4 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。
3.5 监控前台
监控前台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，分别为风速模拟功能、实时监控功能、历史保存功能。其主界面如下图 3-4所示：
风力发电风速模拟界面，见上图 3-5 所示，用户可以设定桨距角、叶片半径、转动惯量等值。接下来设定风速曲线表，一共有 20 组数据，然后可以随便调整风速变化时间。最后可以通过拟合按钮，查看风速与功率的对应曲线关系图，见下图 3-6 所示：
风力发电风速模拟界面，用户可以通过表头方式查看风速、发电机的转速、转矩以及发电功率的变化情况。
以上功能，领先于国内各类厂商提供的风力发电仿真平台。
监控界面可以查看励磁变频器、双向变流器以及双馈电机运行的各类瞬时参数，包括
直流母线电压；
直流母线电流；
电网电压；
网侧双向变流器交流电流；
直流功率；
网侧双向变流器的交流功率；
网侧双向变流器的功率因数；
电网频率；
机柜内部的温度；
电机的转速；
转子电流；
定子并网电流；
定子并网功率；
定子并网功率因数；
也可以通过波形按钮查看转子电流实时波形、直流母线电压、电流波形、电网电压、定子并网电流等波形，波形界面如下图 3-8 所示：
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 3-12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。
3.5.3 历史保存功能
该应用软件采用 SQL 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。
双馈风力发电实验仿真平台实验组成
1、认知实验：对整体系统组成拓扑和工作原理的熟知，为后面实验提供基础；
2、三相交流负载实验：验证三相交流电网特点，以及熟悉带载特性，另外就是熟悉整流器柜内部的接线；
3、三相异步调速电机电动实验：认知三相异步电机工作原理；
4、变频器输出实验：掌握变频器操作流程以及工作原理；
5、自然风模拟实验：了解变频器的操作方法，掌握上位机软件操作流程；
6、双馈风力发电仿真平台并网实验：了解双馈发电机发电原理，发电过程；
7、主从控制机制：为了更加有效的配合教学，系统还支持主从机控制模式，即当教师机（主机）释放权利后，学生机（从机）才能获得控制权利。一旦教师机收回权利，那么学生机只能具有检测功能，而不具备控制功能。
8、低压穿越实验：当电网跌落后，发电机发电系统保证不能立刻脱网，要具备保持继续往电网输送能力的能力。这个实验要求实验室具备电网模拟器设备。
9、创造性实验：通过对以上实验的熟知以及对原理的掌握，加入自己的优化控制策略或者算法，使系统按照用户的要求运行。如改进型 SVPWM、将PID 控制模型换位滑模控制模型或模糊控制模型等。
特别说明：以上 1-8 项为认知性或验证性实验，更加适用于本科生。而第 9项更加实用研究生或科研者。
双馈式系统实验例程和项目
实验 1 双馈风力发电仿真平台认知
实验 2 三相交流负载实验
实验 3 三相异步电机电动实验
实验 4 三相交流变频输出实验
实验 5 自然风模拟控制实验
实验 6 双馈电动机电动实验
实验 7 亚同步并网实验
实验 8 同步并网实验
实验 9 超同步并网实验
实验 10 亚同步离网实验
双馈风力发电实验仿真平台开放资料
1、变频器：操作说明书
2、励磁变频器柜：
整体布线 CAD 图、PDF 图；
DSP 控制核心板：protel 99se 原理图、PDF 版本PCB、内部运行源代码工程（内含算法静态库）、设计原理说明文档；
控制底板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
继电器板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
IPM 隔离电源板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
算法设计说明文档；
3、网侧双向变流柜：
整体布线 CAD 图、PDF 图；
DSP 控制核心板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、内部运行源代码工程（内含算法静态库）、设计原理说明文档；
控制底板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
继电器板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
IPM 隔离电源板：protel 99se 原理图、PDF 版本 PCB、设计原理说明文档；
算法设计说明文档；
4、监控前台：
上位机应用软件安装文件；
数据库安装文件；
上位机 DEMO 例程；
操作说明；
5、调速器
实验操作说明文档；
原理介绍文档；
6、整体系统
实验操作手册；
整体系统现场培训
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