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南京研旭电气科技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科技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：l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；2直流环节。一般直流环节的电压控制为恒定；3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。PMSWGagibgiLdcu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）。PMSG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：l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；2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：l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；2能量双向流动对本系统没有必要。PMSWG定子PWM变换器并网PWM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+-,abcsabcsui-+**,abcsabcsui2r/3s**,dqsdqsui-3s/2r,abcgabcgui**,abcgabcgui+**,dqgdqgui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。l研旭直驱式风力发电实验平台采用一台变频调速三相异步电机带动一台三相永磁同步发电机运行，异步电动机的和同步发电机的功率在200W左右，异步电动机和同步发电机安装在同一个底座上，使用联轴器相连接，采用光绝对式电编码器测量电机实时转速，永磁同步发电机极数为8极，三相异步电机的控制采用变频器控制转速，用以模拟风速的变化，同时可以方便的通过计算机实现三相异步电机的转速调节模拟风机出力。2发电机侧变流器和电网侧变流器采用IPM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模块的耐压要在1200V以上，电流在50A左右。直流环节的电容要求450V电解电容两只串联以提高耐压。3并网变压器要求是三相变压器，其容量要求大于发电机最大容量，容量在200VA左右。4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控制板，此外DSP控制板和IPM模块的连接采用研旭功率驱动板，需使用两套。5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、3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。6采用两台研旭YX—XDS510仿真器完成系统控制算法的调试。OCABLLLTMS320F28335高性能浮点DSP控制板光电编码器,,,,abcabeeeiidcVCabcSSS变频器机侧变流器网侧变流器霍尔传感器MMTMS320F28335高性能浮点DSP控制板霍尔传感器,,,,abcabeeeii霍尔传感器abcSSSYX-XDS510仿真器YX-XDS510仿真器IGBT驱动电路IGBT驱动电路JTAGJTAGPC机PC机电源三相电网三相变压器PMSG图3研旭直驱式风力发电系统结构4仿真平台实物效果图45研旭直驱式风力发电实验平台系统配置及费用（见附表）设备数量型号及参数厂商品牌备注风力发电拖动实验台900*220*220（mm）研旭电气三相交流异步电机1380V，3000W标准功率可定制永磁伺服同步发电机150HZ，2200W标准功率可定制联轴器1标准光电编码器1定制变频器1380V,3.7KW南方安华A100T3R7G底架1900*300（mm）研旭电气可方便安装与拆卸三相并网整流逆变柜600*500*900（mm）研旭电气柜门可打开IPM模块21200V，50A三菱PM50CL1A120浮点DSP控制板2YX-F28335核心控制板+底板研旭电气一套带有脱机烧写程序，一套为仿真板。霍尔电流传感器550A南京强能QBC50BS霍尔电压传感器4500V南京强能QBV10/25A空气开关2380V，32AABBS263,C25并网电抗器120A，50HZ南京长特RRMH3887三相变压器12KVA，380V/100V南京长特SG-2k开关电源1100~264VAC，24VDC，2A台湾明纬S-50-24并网仿真实验平台浮点DSP控制板2YX-F28335核心控制板研旭电气一套带有脱机烧写程序，一套为仿真板。XDS510仿真器2YX-XDS510仿真器研旭电气光盘资料用户说明手册1用户使用指南研旭电气系统介绍硬件连接图各个端口定义软件驱动代码介绍硬件图纸介绍电机参数介绍等软件驱动例程代码1底层驱动代码包研旭电气F28335初始化驱动F28335基本外设驱动AD采集模块驱动通信模块驱动显示模块驱动PWM设置原理图及封装库1全套硬件的原理图及pcb版图（pdf格式）研旭电气核心控制板硬件电路图传感器板硬件电路图5底板硬件电路图显示板硬件电路图IPM电源板原理图各元器件封装库芯片DATASHEET1主要芯片的介绍研旭电气主要芯片的介绍工程集成调试及培训（选配）工程师现场安装布线调试系统集成调试研旭电气2-3名现场工程师培训课程产品使用讲解研旭电气10课时控制实验操作台（选配）工控机2IPC-610G研华液晶显示器219寸飞利浦控制软件1研旭电气实验工作台1研旭电气示波器1200MEKWAY其他配件（选配）笔记本电脑1便携式笔记本IBM数字示波器1200MTekway数字万用表1VC890D胜利测速仪1光电测速DM6236胜利钳形电流表1VC6056胜利便携式扭振测试仪1双通道YX-NZ6.0研旭电气