前言

风力发电系统实验平台采用西门子S7-1500作为实验系统的主控制器，结合WinCC人机界面控制风电系统的整体运行，同时表现了风力发电系统的运行状态。

通过研究双馈风力发电机组的运行原理，提出了实验平台的设计方案，建立平台网络通信结构，其特点为能通过监控界面监测下位机平台的电气控制结构，帮助使用者在较短时间内了解平台运行结构，减少开发周期，并且可以根据实验目的自行开发控制策略，平台结构整齐紧凑、便于使用观察。

通过实验验证，该平台能够较好地模拟实际风力发电过程，具有实时控制、实时监测的功能并兼具良好的开放性能，适合学生学习与开发。

风能即空气流动所形成的动能，主要是通过将其转化为其他形式的能加以利用。

随着对可再生能源的迫切需求，风能开发技术引起了人们的重视。

然而由于在现场实验或引起风电系统的破坏或故障等因素，设计风电实验平台尤为重要。国内外学者依据风力发电原理搭建了实现部分功能的风力发电设备。

风力发电实验内容主要概括为以下几个项目：实验室风能模拟、发电机并网发电、电网故障下对风电机组的影响，电机的调速性能等相关实验。

本设计的主控制器采用西门子S7-1500,与其配套开发的PortalV13软件完成对实验平台的软硬件设计、通信及调试。

双馈式风力发电机组的原理结构

下图为双馈风力发电机主电路结构图。

双馈风力发电系统通常由风轮、齿轮箱、双馈发电机、背靠背变流器及其控制系统构成。

DFIG主电路结构图

双馈发电机定子侧与电网直连。

转子经过PWM变换器与电网间接相连，通过转子的控制实现对定子侧电压幅值、相位、频率的间接控制，使其与电网电压一致，实现并网及变速恒频运行。

系统成功并网后，通过改变转子励磁电流和转矩电流，对双馈发电机功率进行解耦控制，最终实现风电机组最大功率跟踪。故对于双馈风力发电系统的控制关键在于背靠背变流器的控制。

而对网侧变流器的控制，理想目标为使输入电流正弦，确保直流母线电压的稳定和系统功率因数的提高。机侧变流器的控制目标是给转子恰当的励磁电流来完成机组的变速恒频运行，提高机组的发电效率；通过改变转子转矩电流，实现发机最大功率跟踪。

风力发电系统实验平台设计

2.1系统硬件结构

本实验系统采用变速恒频控制的双馈异步发电机组和四象限变频调速的鼠笼异步电机。风力发电系统实验平台的多功能化是本设备设计的核心内容，此系统集双馈调速拖动、离网和并网发电功能于一身。

实验平台的风轮模拟部分采用4kW的鼠笼式电动机，并网发电部分使用4kW的双馈式发电机。图中的风力发电实验平台主要由发电单元(S120励磁控制）、PC机WinCC监控界面、电量监测仪、拖动单元(M440变频控制）等模块构成。

用户可根据实际需要自主编制主控系统，实际风速的变化过程通过改变电动机的转速进行模拟，进而改变发电机的转速。发电机的功率输出由S120变流装置控制完成风电机组的调速、离网或并网发电等风力发电相关实验内容的研究及各参数的具体分析。

风力发电实验平台结构图

2.2系统网络通信结构

模型机组采用了图中的网络结构设计，利用三种通信方式将各模块串联起来，并且受PLC控制。变频器MM440、西门子S7-1500、变流器S120直接通过PROFIBUS通信连接。

PROFINET通信是基于工业以太网的总线协议，通过网线进行数据传输。

网络拓扑结构图

触摸屏、PLC设备通过PROFINET通信与上位机连接，可实现对触摸屏的加载设计、实时显示下位机状态，提升系统响应速度，其典型的响应时间在10ms的数量级，完全满足现场级的使用。

电量表之间通过MODBUS-RTU通信协议。该电量表可进行电能计量、谐波分析、波形显示和电网质量分析等功能。

实验平台的软件设计

3.1主系统设计

系统软件基于西门子博途(TIA Portal)软件中的STEP7ProfessionalV13编程软件和WinCC人机界面。机组正常运行依靠PLC发出的正确指令，主控逻辑程序由上位机下载到PLC控制器中。

无刷双馈电机级联等效模型

主控系统主要完成整体的逻辑性控制：风轮拖动模拟系统、双馈离网发电系统、双馈并网发电系统、双馈电机调速拖动系统，即完成各部分模拟系统运行程序，控制主电路的通断与子程序的调用，整个系统还有一部分状态机控制，包括报警系统、人机交互系统、脱网保护系统等。

无刷双馈电机功率解耦控制框图

3.2人机界面

该平台设计了基于TIA PortalV13的人机界面，包括实验平台的登录界面、实验选择界面、各实验运行界面、事件记录等。

人机界面主要是显示PLC控制器的内部运行逻辑，各实验项目的人机交互界面，系统的安全显示及报警提示，各参数的监测仪表数据情况，波形的动态监测，机组运行状态等。

由下图可以看出，监控界面主要由实验平台的结构图、能够改变系统运行状况的数据值输入、数据显示区域以及各变量曲线显示调用的选择按钮构成。

整个实验平台通过PLC对电气控制部分的接触器通断情况均可在监控界面看到，形象地向使用者展示了平台的结构及系统运行状态。

风力发电实验平台WinCC监控界面

实验测试

为了测试实验平台的性能，本文在自主研发的风电实验平台上进行了测试验证。

4.1并网模拟实验

在触摸屏界面，给定电动机频率30 Hz,转速900r/min,发电机频率20Hz,电压值100V,图中为发电机定子输出波形与电网电压波形，可见基本吻合，证明了通过变流器的调试可以使双馈发电机的定子侧输出电能达到并网标准。

双馈发电机定子输出电压和电网电压波形

4.2最大功率跟踪

设置保证电机带 20%的负载不变；转速由次同步速 600r/min，从时间 t=1.5s 到 3s增加到超同步速 900r/min 并保持不变，仿真结果如下图。

根据仿真图得：带恒定负载时，电机启动时间短、响应快速，发电电压的幅值和频率在 0.5s 时能达到设定值 311V 和 50Hz；当在 1.5s 后转速开始改变时，无刷双馈电机仍然能够准确跟踪设定值，控制绕组的电流幅值大小基本不变，频率则会随着转速的改变而有明显改变，从频率c10 f Hz 到c10 f Hz 逐渐增加与理论相符。

综上所述：无刷双馈电机独立发电系统能够保证变速恒频发电，并且此时发电系统具有快速响应特性以及稳定的输出特性。

系统中输入两种不同的风速，令风速从6 m/s渐变到20m/s后调整机组运行模式，使系统达到新的运行状态。过程中无功功率始终为0,有功功率输出值围绕4 kW上下波动，实现了最大功率的跟踪。图为双馈风电机组最大功率跟踪实验中WinCC界面显示的DFIG定子动态曲线图。

图(a)为双馈发电机的定子三相电压波形，由图中能够观察到电压波形稳定在工频范围内，表明该系统能够较好地完成机组的变速恒频运行。图(b)是双馈发电机定子输出电流波形，三相对称包络线较好，基本为正弦波。

WinCC界面DFIG定子侧电压、电流波形

结语

笔者设计了双馈风力发电实验平台，其结构易于理解，方便学生使用，缩短了理论与实际应用的距离，开发功能可供科研人员使用，将实验平台的利用率最大化。

实现了对双馈电机并网模拟实验，对并网后系统功率的控制。系统动静态特性良好，实验过程更加接近实际，系统结构图形化，参数变化更为直观。

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