小功率风力发电试验平台设计

王晓明，李灿

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

随着经济的发展，社会对能源的需求越来越大，但是煤炭和石油等能源是有限且不可再生的，所以世界各国都加大了对新能源的开发和利用，风能以其固有的优势，日益受到人们的关注［1-3］。

变速恒频风力发电系统一般采用双馈电机或直驱电机，直驱式风力发电以其自身的优点成为未来风力发电发展的方向。在实验室建立直驱式风力发电的试验平台，研究变流器以及并网的控制策略，对风力发电技术的发展十分重要。在对直驱式风力发电系统原理研究的基础上，致力于小功率直驱式风力发电试验平台的设计是工作的重点。

1 直驱式风力发电系统基本原理

直驱式风力发电系统采用风力机和永磁同步发电机直接耦合，与双馈式风力发电系统相比较省去了故障率较高的齿轮箱［4］。永磁同步发电机转子为永磁式，无需外部提供励磁。永磁同步发电机发出频率变化的交流电，经整流器整流成直流电后，再经过逆变器变换为频率恒定的交流电并入电网。发电机组所产生的电能都要经过变流器送入电网，变流器的容量和永磁同步发电机的容量相同。直驱式风力发电系统如图1所示。

风力发电系统各部分的组成及功能如下：

（1）发电系统 由风力机带动永磁同步发电机发出频率变化的交流电，并送入整流器进行整流，是整个系统能量的来源。

图1 直驱式风力发电系统主电路示意图

（2）变流器 采用IPM智能功率模块构成AC／DC和DC／AC变流器，采用一定的控制方法控制发电机侧变流器，将发电机发出的交流电转换为直流电，并控制发电机发出的交流电为正弦交流电；控制网侧变流器工作在有源逆变状态，把直流电变换为三相正弦交流电并能进行单位功率因数并网。IPM模块将功率开关器件和驱动电路集成在一起，并有过电压、过电流以及桥臂互锁等保护电路。

（3）中间直流环节 采用大电容作为中间直流环节，其主要作用是缓冲变流器交流侧和直流负载之间的能量交换，并能稳定直流侧电压，抑制直流侧谐波电压。

2 试验平台方案设计

2.1 试验平台的硬件设计

试验平台系统主要包括风力机模拟装置、永磁同步发电机，背靠背双PWM变换器、电压电流检测装置、并网变压器以及主控DSP芯片以及相应的驱动和保护电路。

The New Energy Power ControI TechnoIogy

（1）直驱式风力发电试验平台采用变频器拖动三相异步电动机模拟风力机，带动永磁同步发电机运行，异步电动机和永磁同步发机均采用容量为500W的电机，异步电机和永磁同步发电机安装在同一个底座上，并用联轴器连接，采用光电编码器测量电机的实时转速。异步电机的控制采用变频器调速来控制电机的转速，用来模拟风速的变化。（2） 发电机侧变流器和并网变流器可以采用IPM模块和IGBT封装模块构建，试验平台采用IPM智能功率模块，总共需要2片IPM模块构造机侧变流器和并网变流器。由于试验平台的设计是基于容量为500W的永磁同步发电机，而变流器的容量选择与电机相同或略大一些，所以IGBT单管的耐压值应选取1 200V以上，电流值选取40A，中间直流环节采用两只220uF的电解电容串联，以提高耐压值。

（3） 根据永磁同步发电机的输出电压和输出功率，并留取一定的安全裕量，并网变压器的容量选取为0.8 kW。并网逆变器的输出经并网变压器直接与电网连接运行。

（4） 试验平台中的机侧变流器和网侧变流器分别采用两块DSP开发板控制，两片控制芯片通过串口进行通讯。两套DSP控制电路均采用TI公司生产的TMS320LF2812芯片负责AD采样、完成控制算法以及生成SVPWM驱动波。

（5） 在试验平台系统中需要分别采样机侧变流器和网侧变流器的交流电压和交流电流以及中间直流环节的电压值，该系统采样使用LEM公司生产的电压和电流传感器，发电机的转速和转子位置通过光电编码器检测得到。传感器参数根据系统的容量选择安装。试验平台硬件结构图如图2所示：

2.2 试验平台的控制方案设计

在试验平台系统中发电机侧变流器和并网变流器分别采用一套DSP芯片单独控制，两片DSP之间通过串口交换数据。发电机侧变流器和网侧变流器均采用电压外环和电流内环双闭环控制结构。

2.2.1 发电机侧变流器控制

发电机侧变流器的控制基于转子磁链定向［5］，电流内环使用直接电流控制，完成实际电流对指令电流的跟踪。直接电流控制提高了变流器交流侧的动、静态性能，同时弱化了电流对控制系统参数的敏感度，从而提高了控制系统的鲁棒性。通过传感器检测得到机侧变流器交流侧电压、电流值，经过调理电路调理后送入主控DSP芯片，通过坐标变换得到有功电流分量id和无功电流分量iq。电压外环的输出作为电流环的有功给定输入，无功电流给定值设定为0，使变流器运行在单位功率因数状态。电流内环控制采用前馈解耦的控制方式以消除系统内的耦合［6］，从而实现了d、q轴电流的独立控制。

2.2.2 网侧变流器控制

网侧变流器控制采用电网电压定向，控制方式与发电机侧变流器控制方式基本一致，也是电压电流双闭环的控制方式。整个控制系统采用SVPWM波调制，提高了系统直流侧电压的利用率和系统的控制性能，取得了较好的控制效果。试验平台系统整体控制方案如图3所示：

3 实验结果分析

基于风力发电试验平台原理的研究，根据系统的硬件元器件选型和控制方案设计，构造了试验系统，永磁同步电机为500W，1 000r／min，滤波电感为6mH，通过并网变压器直接并入三相电网，对系统在额定功率下进行了调试，其实验结果如下：

图4是发电机侧变流器整流实验波形，实验结果表明永磁同步发电机定子电压、电流是近似的正弦波，电压电流同相位，变流器工作在单位功率因数整流状态。

图5是网侧逆变器输出并网电流波形，实验结果表明网侧逆变器输出的并网电流是正弦波，谐波干扰较小，能够满足电网对电流的要求。由图6可以看出电压和电流相位相反，逆变器工作在单位功率因数状态。

4 结束语

图6 逆变实验结果

在分析了直驱式风力发电试验平台系统工作原理和系统构成的基础上，通过对试验平台的硬件设计、元器件选型以及软件设计，最后在实验室搭建了试验平台，并在试验平台上进行了发电机侧变流器和网侧变流器的控制试验，并对试验结果进行了分析。实验结果证明了试验平台硬件设计以及控制方案的合理性和正确性。该平台为直驱式风力发电系统各种控制算法提供了实现的平台，并能完成最大风能跟踪和并网实验。

［1］王承煦.风力发电［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］周维来.基于双PWM控制永磁直驱风电变流器的研究［J］.节能与新能源，2010，20（10）：60-63.

［3］Tomonobu Senjyua，Yasutaka，Yasuaki Kikunagaa，etal Tokudone.Sensorless Maximum Power Point Ttacking Control for Wind Generation System with Squirrel Cage Induction Generator［J］.Renewable Energy，2009，34（4）：994-999.

［4］陈毅东，杨育林.基于30KW直驱式风力发电试验平台的研究［J］.电力电子技术，2010，44（8）：5-8.

［5］赵林峰，程郎.1.5MW风力发电机组全功率试验平台设计方案［J］.能源技术，2010，31（4）：210-212.

［6］张崇兴，张兴.PWM 整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003.