前言

我国风电累计装机规模已达2.8 108 kW（数据取自2020年），累计装机容量以及全年新增装机容量均领跑全球。随着风电在电网中所占比重的大幅增加，社会对风力发电人才需求日益增多，为此，许多高校开设了风力发电相关课程。

而作为风力发电的主流，变速恒频双馈风力发电成为课程的重点内容。

考虑理论与实践结合的必要性，部分高校将风力发电实验引入风力发电技术教学环节。

但均采用直接购置的成套实验系统进行实验，这些实验系统价格昂贵，且不提供可编程接口，只能进行演示性、操作性的实验，不利于学生对核心原理的理解和掌握。

为了增强学生对风力发电技术的理解与掌握，本文设计了基于DSP的变速恒频双馈风力发电实验系统，硬件方面采用模块化设计思路，软件方面提供简单易用的编程接口，便于学生编写核心控制程序。

此外，该实验系统还可在平台基础上进一步开发风、光、储互补的微电网研究平台。

实验系统设计与开发

1.1实验系统的总体构成

双馈风力发电实验系统如图所示，主要分为机械部分与电路部分。

其中机械部分由原动机M和双馈发电机DFIG组成；电路部分原动机侧由变频器驱动，用于模拟风力机特性。

双馈侧定子直接连接电网，向电网输送功率，转子侧通过背靠背的PWM变换器连接电网，该变换器由控制单元控制向转子提供交流励磁及转差功率。

实验系统结构

1.2机械部分选型

设计实验系统机械部分如图(a)所示，原动机选用鼠笼式交流异步电动机，额定功率为7.5 kW，额定转速为970 r/min，极对数np=3，由具有矢量控制的变频器驱动，通过外部给定转矩指令，可以实现风力机特性的模拟。

实验平台整体结构图

双馈发电机选用与原动机极对数、功率等级相匹配的三相绕线式异步电动机，额定功率5.5 kW，转速为928 r/min，定子额定电压380 V，转子额定电压632 V，定转子匝比为1 1.66。

这是因为双馈电机在正常工作时，转子侧只需要提供部分转差功率，因此选用定转子匝比低的电机可以充分利用变换器的容量。双馈电机侧安装增量式光电编码器获取转子位置，用于进行矢量控制。

硬件电路拓扑图

1.3硬件电路设计

本实验平台的硬件电路总体遵循模块化的设计思想，主要由背靠背的两个PWM变换器与控制电路组成，单个硬件电路拓扑如图3所示，总体硬件电路实物如图4所示。

硬件电路实物图

每个PWM变换器主电路是由三相逆变桥和6路驱动组成，是电路的主要部分，三相逆变桥使用6个IGBT器件搭建，更换方便、维护成本低。

1.4保护系统设计

在学生实验平台中，保护系统的设计十分重要，可靠的保护系统能够避免实验人员发生危险，即使学生编程错误，也能避免实验设备损坏，降低实验设备维护成本。

（1）软件过流保护是通过软件判断电流大小，超出设定值保护即动作。

（2）驱动芯片本身具有保护，在驱动欠压或者IGBT严重过流时会进行动作，封锁IGBT并通知主控制器。

（3）母线电压保护与转速保护是通过判断其大小，低于或者超出设定范围时保护动作。

（4）硬件限流保护是通过硬件电压比较器，对电流与设定值进行比较，当电流高于动作值，则保护动作，封锁PWM；当电流低于返回值，则保护取消，PWM能够正常输出。

（5）直通保护。为避免逆变桥中同一桥臂的上下开关管发生直通，使用CPLD对上下桥臂的开关信号进行脉冲互锁，当PWMA和PWMB信号同时为“1”时，对应的PWM1A和PWM1B信号会同时为“0”。

1.5软件系统开发

在功能方面，软件主要包括网侧变流器程序、双馈侧变流器程序以及CPLD程序，而逆变器程序主要由主程序与中断控制程序构成，为了方便实验人员进行编程与二次开发，两变流器采用相同的程序框架，其流程图如图所示。

主程序与中断控制程序流程图

主程序由初始化程序模块、通信程序模块、故障处理与记录模块等构成。其中初始化程序模块主要完成系统时钟、中断、I/O、PWM、ADC、QEP等硬件资源配置。通信程序模块主要用于实现DSP与CPLD、DSP与上位机之间的数据交换，包括从CPLD获取故障信息、从上位机获取指令信息，调节运行状态并将采集数据、运行数据传至上位机。

故障处理与记录程序完成故障类型的判断、故障保护的动作以及故障前后的波形记录等。

中断程序由ADC采样完成事件触发，包括A/D数据读取、故障保护、锁相、坐标变换、控制算法等程序模块构成，对于RSC，还应包括编码器数据的读取以及转子位置的计算。

ADC完成电压电流量的采集，对于网侧变换器，包括三相电网电压、三相并网电流、直流母线电压；对于转子侧变换器，包括定转子三相电压电流以及直流母线电压等信息。

故障保护程序判断是否有过流、欠压、转速异常等问题并进行相应动作。锁相程序模块用于获取电网电压相位，坐标变换程序模块用于将电压电流数据在静止坐标系与同步旋转坐标系下相互转换，控制算法模块主要为PI控制器，在同步旋转坐标系下可以实现零稳态误差控制。

1.6实验平台上位机监控软件设计

为了方便对逆变器的控制和监测，基于Visual Studio 2015软件，使用面向对象的C++语言，设计了可视化软件上位机，其界面如图所示。

实验平台监控上位机

上位机通过TCP/IP协议与DSP实现连接。上位机监控软件能实现控制指令下达、电压电流波形的显示与存储、调试信息上传等功能。

实验内容设计

基于本文所设计的双馈实验系统，选取了如下3个有代表性的实验，从编码器初始位置的获取到双馈变速恒频的实现，到最终并网实现有功无功解耦控制，层层递进，学生亲自动手编程实现功能，可以使学生由浅入深理解双馈运行机理。

2.1转子初始角度获取实验

双馈运行控制中，需过编码器获得转子角度，由于手工装配原因，编码器的0刻度与转子A相不可能完全重合，因此首先需要矫正转子初始位置。为获得转子初始位置，我们从转子A相通入直流电流，启动电机，当检测到编码器0刻度信号时，计算定子中感应的电动势相位，从而计算转子初始位置。

计算初始值后，可将数据通过网络传至上位机，利用MATLAB绘制转子初始位置数据的图像如图所示，本文所使用的编码器为8192线，使用MATLAB求取平均值后可得到较为准确的转子初始位置。

转子初始位置信息

2.2并网前空载运行实验

转子位置可准确获取后，可进行并网前空载运行实验。学生根据所学内容，选取合适的定向方式，通过自主编程，实现双馈电机变速恒频，即使电机转速变化，定子电压仍能保持与电网电压同幅值、同相位。

采用电网电压定向后，并网前的电网AB线电压vg、定子AB线电压vs、转子A相电流ir波形，转子转速n=700 r/min，为次同步运行。

从图中可以看出，通过转子交流励磁，发电机定子电压的幅值、频率、相位与电网电压完全相同，实现了双馈电机的变速恒频，符合并网条件。

由于此时定子电压与电网电压十分接近，所以并网时定、转子电流冲击很小，在亚同步、超同步运行区域内均可安全稳定地并网。

系统并网前空载运行波形

2.3并网后发电实验

符合并网条件后，学生可通过程序控制闭合并网继电器，进而进行有功无功解耦控制，根据定向方式的不同，控制方式也有所不同，学生可根据所学内容自主选择控制方式。

并网后定子线电压vg、定子电流is、转子A相电流ira、B相电流irb波形，此时转子转速nm=700 r/min，处于亚同步运行，控制中给定合适的dq轴电流指令，可控制定子电流与电网电压相位相同，实现单位功率因数并网。

系统并网后次同步运行波形

逐渐升高风机转速至同步速nm=1 000 r/min，可以看到转子励磁电流的频率逐渐降低，最后变为直流量。继续升高风机转速至超同步n=1 200 r/min，可以看到转子励磁电流的频率再次升高，但相序与次同步时相反。

发电机转速变化时运行波形

总之，随着风力机转速的变化，转子电流的频率和相位会随之改变，以确保输出定子电压的频率恒为50 Hz，定子电压幅值、相位与电网电压相同，不依赖于转速的变化，进一步验证了DFIG的变速恒频特性。

本实验由浅入深，逐渐引导学生实现双馈风力发电机并网发电，同时也检验了实验平台的可靠性，结果表明，由于采用模块化设计方案，所开发的实验系统各环节具有很高的灵活性，也验证了模块化和开放式的设计初衷。

结语

本文设计并搭建了一套双馈风力发电实验系统。该实验平台能够完成双馈风力发电机在亚同步、同步、超同步状态下的并网发电实验。

同时实验平台硬件方面采用模块化设计，软件方面为学生提供可自由编程的接口，配合可靠的保护系统，能够服务于我校电气专业的“风力发电技术”“微电网分析与控制”实验，让学生接触系统的核心控制内容，学习硬件和软件的组成，帮助学生深刻掌握双馈风力发电的实现。

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