前言

随着新能源的发展，以绿色能源为一次电源的分布式发电系统备受关注，如何开发出低成本、高效率的控制器成为一个很关键的课题。

目前对于双馈风力发电系统的研究，主要集中在直接转矩控制、直接功率控制2等有功和无功功率的解耦控制上，构建了以TMS320F2812型DSP为控制核心的永磁同步风力发电系统，但DSP存在编程复杂，研发周期长，且缺少一个实时监控界面和参数配置系统的缺点。

基于上述问题，采用LabVIEW作为开发平台，搭建双馈风力发电系统的仿真模型及硬件所需控制算法，建立了包括柔性并网、发电矢量控制等模型。

硬件平台由PXI和I/O口组成，PXI机箱中包含一个PXI-8108RT实时处理器和FPGA板卡，其产生的PWM脉冲适合高可靠性场合。

利用PXI的CPU强大的处理能力和FPGA高效的实时性和可靠性，通过LabVIEW编写的控制算法将实时监控相应电气参数，灵活的修改各项参数，仿真和实验验证充分展示了LabVIEW在控制领域的独特优势。

网侧变流器的数学模型及矢量控制

为了解决双馈风力发电系统发电方式、并网方式和并网后对电网可能带来的影响，分析了传统风力发电控制器的不足，提出了以LabVIEW软件、PXI及FPGA硬件为核心的变流器系统的控制器。

该控制器以图形化编程来实现控制算法(矢量控制)部分，通过详细的双馈风力发电系统仿真建模，较好地实现了柔性并网、功率解耦控制、电能质量的目标。

最后，搭建了双脉宽调制(PWM)变流器的双馈风电系统实验平台进行实验，完成了整个系统的硬件和软件设计，验证了控制策略的有效性和可行性。

网侧变流器的拓扑结构如图所示。两相d,q坐标系下网侧变流器的数学模型为：

网侧变流器拓扑结构

空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法4能明显提高直流电压利用率，降低网侧谐波含量，且控制简单，数字化实现方便。因此，这里也采用该方法。网侧PWM变流器矢量控制框图如图所示。

网侧变流器矢量控制框图

网侧变流器与电网间交换的有功功率P和无功功率Q;的表达式为：

根据网侧变流器的控制目标，运用电网电压定向矢量控制技术，使电流分量i控制P,的流动，电流分量i控制Q₈的流动，以实现d,q轴电流的解耦控制。

此时有：Pe=-3ui/2,Q=3ugim/2(3)

当处于理想电网电压条件下时，u为常数，只要分别调节i,w的大小，即可调节P,Qg的大小。调节iu的正负即可实现P,能量的双向流动。调节i的正负即可控制吸收或发出Q。由此，可分别单独控制网侧的P₆和Q。

转子侧变流器的数学模型及矢量控制

利用矢量坐标变换方法得出了同步旋转d,q,0坐标系下双馈风力发电机的数学模型。略去定子电阻后，发电机的定子磁链矢量与定子电压矢量的相位差正好为90 ,如果取定子磁链矢量方向为d,q,0坐标系d轴，则定子电压空间矢量正好落在滞后d轴90 的q轴上，如图所示。

空间矢量示意图

可得同步速w₁旋转的d,q坐标系矢量形式的双馈风力发电系统电压和磁链方程分别为：

式中：u.,u,分别为定、转子端部电压矢量，4,=uutjuy,μ,=uwtjun;i,i分别为定、转子绕组中的电流矢量，i=iu+ji,=+ji;ψ,ψ,分别为定、转子磁链矢量，ψ,=4a+j4,4=+;为滑差电角速度，m=a₁-φ.。

由上式即可建立定子电流有功分量i.和无功分量i与其他物理量间的关系，各式构成了定子磁链定向双馈风力发电系统的矢量控制方程。

系统向电网输出的有功、无功功率反馈值为：P=-3ujm/2,Q=3u/2(5)

根据上述矢量控制方程可设计出双馈风电系统的矢量控制系统框图，如图所示。

转子侧变流器控制框图

系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率闭环中，有功指令P:为由风力机特性根据风力机最佳转速给出，无功指令Q:是根据电网需求设定的。P.,Q.通过对发电机定子侧输出电压、电流进行检测后再经坐标变换后计算得到。

仿真与实验

为验证控制策略的有效性，进行了仿真和实验研究，参数为：双馈电机额定功率P=7.5 kW;频率f=50 Hz;极对数为4;定子连接方式Y接，电阻0.06Ω;电感3.94 mH;转子连接方式Y接，电阻0.04Ω,电感3.59mH;励磁电阻9.42Ω;激磁电感66.8mH;参数均折算到定子侧。

4.1系统仿真模块

图中，网侧有功、无功电流分量都稳定在一定的范围内，为直流量；网侧变流器升压与跟踪给定电压U,使其稳定在给定值650V;表明并网后只向电网输送有功功率，不输送无功功率；表明电磁转矩脉动很小。

仿真波形

由仿真分析可知，该仿真系统能使直流侧稳定在额定值，网侧电流输入正弦，且并网无冲击，转矩脉动小，有效实现了有功无功的解耦控制，响应快，能够满足风力发电系统的要求。

4.2系统硬件模块设计

双馈风电系统采用直流电机模拟风力机带动双馈感应发电机，利用直流调速器对直流电机的转速进行调节，模拟常见的几种风况，再利用PXI工控机对双PWM变流器进行有功、无功的调节。

网侧和转子侧变流器均采用IGBT模块，直流侧有2个电容并联，网侧变流器交流侧额定电压380V,直流侧额定电压650 V,驱动平台相关器件具体参数：IGBT模块1.2kV,225A;吸收电容1μF,1.2kV;直流侧电容4mF,1.1kV;滤波电抗1mH,50 A,400V;滤波电容10μF,1.2kV,20 A;直流电机11kW;双馈风力发电系统为7.5 kW。

4.3系统实验和数据分析

基于双馈风电系统实验平台，对网侧和转子侧变流器进行有效控制的实验。风力机输入功率为：P、=0.5pSv³(6)式中：p为空气密度，p=1.15 kg·m³;S.为风力机迎风扫过的面积；v为空气流速。

由于通过风轮旋转面的风能并非全部都能被风力机吸收，故实际输出的机械功率Po=C,P,C,为风能利用系数，C=0.48。

双馈风力发电实验系统中，双馈电机定子侧通过断路器直挂电网，由于网侧变流器也直接连入电网，先解锁网侧变流器来建立直流母线电压的支撑，再解锁转子侧变流器，调节转子的励磁使定子电压和电网电压重合。

当满足并网3个条件后可自动并网或通过LabVIEW人机界面手动并网，并网后随风速变化实现最大风能的追踪。

实验波形1

所有波形由Fluke435记录，由直流电机作为原动机模拟不同工况的风速，风速设为渐进风。图a,b为并网前后定子a相电压波形；风速模拟曲线实验时长600s,初始风速设为10m/s(400r·min-¹),由上位机给定，在70s时风速上升，至480s时风速变为22m·s-¹(900r·min-¹),同步速为750 r·min-¹;图6d为实测的定子侧发出的有功功率。

图a,b为v=15 m/s时对应定子侧三相电压、电流波形；由图c,d可见，加入无功电流后，定子a相电压、电流不再反相，可根据电网需求吸收或发出无功功率；图示出v=22m/s时对应转子侧三相电流波形，图示出定子a相电压、转子a相电流的频率关系，可见转子电流提供一定频率、幅值和相位的励磁电流，实现了变速恒频。

实验波形2

结论

分析了基于LabVIEW的双馈风电系统的数学模型及控制策略，可实时、直接地对数据进行编辑，利用计算机强大的图形用户界面，更有利于风力发电控制器的设计。

最后通过软硬件进行了实验验证，由波形可见，采用LabVIEW编写的矢量控制算法具有良好的并网性能，保证了平稳的输出功率，且对电力系统运行带来的负面影响大大减小，为实际的风力发电机组的控制提供了参考依据。

参考文献

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