南京研旭电气有限公司 风电实验平台 直驱式风力发电实验平台方案 南京研旭电气有限公司 风电实验平台 1 直驱式风力发电基本原理 直驱式风力发电 系统 采用风力机和永磁多极同步发电机直接耦合， 省去了齿轮箱，永磁多极同步发电机的转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源永磁多极同步发电机的风电机组发出频率变化的交流电 ， 通过整流器整流成为直流电再通过逆变器变换为频率恒定的交流电送入电网，所 产生的电 能 都要通过变频器送入电网，变频器容量和风力发电系统的容量相同在直驱式风力发电系统 如图1所示 ，变 流 器 及 控制部分的组成及作用如下： 发电机侧 变流器 自关断器件 (IGBT等 )构成 AC／ DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的交流电转换为直流电 ，并且保证发电机输出电流为正弦 ； 直流环节一般直流环节的电压控制为恒定； 电网侧变流器自关断器件构成的 DC／ AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦交流电 (50Hz)，并能有效补偿电网功率因数 PMSWG agibgiLdcu电网dciasubsucsu并网PWM变换器定子PWM变换器cgiasibsicsi+-bguagucgu图 1 直驱式风力发电系统主电路拓扑 2 研旭直驱式风力发电实验平台 性能分析及 控制方案 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），并网 PWM 变换器工作在逆变状态（因此又称之为 PWM 逆变器） PMSWG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，控制方案如图 2所示 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 2 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 定子 PWM 变换器加并网 PWM 变换器优点 ： 整个系统谐波很少，既可以实现定子电流的正弦化（减小了发电机的功率波动，并且也只有这样才能够应用发电机定子电流来分析发电机故障）也可以实现网侧电流的正弦化； 控制非常灵活，既可以控制发电机电流也可以控制电网电流，可以灵活地选择直流母线电压控制和风能跟踪分别由哪个变换器控制 定子 PWM变换器加并网 PWM变换器缺点 ： 结构和控制较为复杂，由于双 PWM变换器容量等于发电机容量，成本较高； 能量双向流动对本系统没有必要PMSWG定子PW M变换器并网PW M变换器交流电网基于转子磁链定向的矢量控制发电机功率因数调节发电机转速控制最大风能跟踪基于电网电压定向的矢量控制有功/无功解耦控制并网控制最大风能跟踪直流母线电压控制有功功率dcu*dcu +-,abc s abc sui-+**,abc s abc sui2r/3s**,dqs dqsui -3s/2r,ab c g ab c gui**,abc g abc gui+**,dqg dqgui有功功率无功功率有功功率无功功率图 2 直驱式风力发电系统运行控制方案 3 研旭直驱式风力发电实验平台软硬件系统方案 研旭直驱式风力发电实验平台系统结构如图 3所示。
研旭 直驱式风力发电实验平台 采用 用一台直流电机 模拟 风力机带动 永磁 同步发电机运行，直流电机的和同步发电机的功率要求在 200W 左右，直流电机和同步发电机要安装在同一个底座上，使用联轴器相连接， 采用光电编码器 测量 电机实时 转速，永磁同步发电机 极数为 6 极，直流电机的控制采用 直流调速器控制电机的转速，用以模拟风速的变化 ，直流调速器提供一个 0~5V 的模拟接口，以便通过计算机实现直流机的转速调节模拟风机出力 发电机侧变流器 和电网侧变流器要求采用IPM 模块或 IGBT 模块构建，使用 2 单元的模块进行设计（总共需要 6 组 2 单元模块）， IPM 模块或 IGBT模块的耐压要在 1200V 以上，电流要在 40A 左右 直流环节的电容要求 450V 以上、 680uF 的电解电容两只串联以提高耐压 并网变压器要求是三相变压器，其容量要求与发电机的功率相同， 容量 在 0.2～ 0.5KW 发电机侧变流器和电网侧变流器采用 DSP进行控制， 采用 两 套研旭 TMS320F28335 的 DSP 开发板，此外 DSP 控制板 和 IGBT 模块的连接 采用研 3 旭 IGBT 六单元 功率驱 动板 ，需使用两套 。
本实验系统采用光电编码器采集发电机的转子位置和转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上； 采用霍尔电压电流传感器 采集发电机侧、直流 侧 和电网侧电压和电流信号， 传感器量程根据系统容量进行选择安装 采用两台研旭 YX— XDS510 仿真器完成系统控制算法的调试 OCABLLLT M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 高性 能 浮 点 D S P 控 制 板光 电编 码 器,,,,abcabeeeiidcVCabcSSS直 流 调 速 器机侧变流器网侧变流器霍 尔传 感 器P M S GMT M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 高性 能 浮 点 D S P 控 制 板 霍 尔传 感 器,,,,abcabeeeii霍 尔传 感 器abcSSSY X _ X D S 5 1 0 仿 真 器 Y X _ X D S 5 1 0 仿 真 器I G B T 驱动 电 路I G B T 驱动 电 路J T A G J T A GP C 机 P C 机电 源 管 理 系 统三 相 电 网图 3 研旭 直驱式风力发电系统 结构 4 研旭直驱式风力发电实验平台系统 配置及附件 （见附表） 4 附表 1（仅供参考） 设备 数量 型号及参数 厂商 品牌 备注 直 流电机 1 1800rpm， 220V， 180W 标准 大功率 平台 采用 交流 异步 电机 。
功率 可 定制 ， 100W~30KW 永磁同步发电机 1 1800rpm,50， 4A,6P 标准 功率 可 定制 ， 100W~30KW 联轴器 1 标准 IGBT 模块 12 1200V， 40A 英飞凌 IGBT 驱动板 2 1200V， 100A 研旭电气 三相变压器 1 500VA， 380V/30V 标准 直流调速器 1 0~220V,6A 标准 大功率 平台 采用 变频器 调速 霍尔电流传感器 6 10A 标准 霍尔电压传感器 8 200V 标准 光电编码器 1 定制 浮点 DSP 控制板 2 YXDSP-F28335至尊板 研旭电气 可 选配 F2812 开发板 程控增益 AD 采集板 2 16bit， 250KSPS 研旭电气 YX-ADB 数据 采集 模块 并网电抗器 3 15A， 5Mh 研旭电气 高性能 DSP 仿真器 2 YX-XDS510 仿真器 研旭电气 空气开关 3 380V， 32A ABB 交流接触器 3 380V， 30A ABB 底架 1 500mm*900mm 研旭电气 可 方便 安装 与 拆卸 研旭电气新能源发电事业部 产品 图示 ： 。