全开放可实时监控式双馈风力发电实验平台研究

念丽波，张文斌，苏 适，严玉廷



全开放可实时监控式双馈风力发电实验平台研究

念丽波1，张文斌1，苏 适2，严玉廷2

(1.昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500；2.云南电网有限公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)

针对目前风力发电实验平台底层代码不开放、编程繁琐、实时监控差等缺点，研发了一套开放、易编程、实时性强的风力发电实验平台。分析了双馈风力发电机组的运行原理。首次推导了以直流侧电压误差和gq误差作为输入量、的网侧幅相控制。推导了基于定子电压定向的空载并网及功率外环和电流内环的双闭环最大功率跟踪控制。在Simulink环境下仿真，验证了控制策略的有效性。搭建了以PLC和NI Compact RIO为核心，LabVIEW程序实现控制策略和监控的风力发电实验平台，对并网及最大功率跟踪进行实验。实验结果表明在该实验平台上可以准确、可靠地进行风力发电技术研究。

双馈发电机；全开放可实时监控式实验平台；幅相控制；双闭环控制；空载并网；最大功率点跟踪

0 引言

近年来，随着地球上常规化石能源的日益紧缺及环境污染的日益严重，风能因其储存量大、无污染、利用历史悠久等优点越来越受到青睐。目前，风力发电机组有很多种，变速恒频双馈风力发电机组因其变频器容量小，能量可双向流动等特点逐步成为大型风电场的主要机型[1]。但是由于客观气象条件的复杂性以及实际风力发电系统体积大、结构复杂等因素使得在实验室对其研究变得很困难。因此，在实验室建立一套有效的风力发电实验平台，并在该平台上进行控制策略研究，具有重要的现实意义。

文献[2-3]分别利用EMTP-RV软件,WTS软件搭建了双馈风力发电实验平台，验证了控制策略。但是都没有接入硬件，只停留在仿真阶段。目前，研制一套风力发电实验平台，不仅需要能够模拟风力发电，还需要接入硬件进行控制。由于控制算法的复杂性及控制器件的物理特性，实验平台还应具有易编程，实时性能强等特点。文献[4-7]分别搭建了以直流电动机模拟风力机，DSP和PLC为核心控制器的风力发电实验平台，并进行了实验研究。上述平台均与实际设备连接运行，但是采用DSP实现控制算法，使编程繁琐。同时监测系统结构复杂，性能较差，不易实时监控。文献[8]基于LabVIEW软件搭建了风力发电实验平台，实现了监控系统可视化等性能，但是其底层代码不开放，并且控制算法仍由DSP实现，实时性相对较差。综上所述，实验室研制了一套开放型、易编程、实时性强的风力发电实验平台。与其他实验平台相比，该平台可以很容易地进行编程，很清晰地实时监控风力发电系统的运行，同时开放的底层代码，可以供研究者进行学习，二次开发新的控制算法及实验验证。

本文分析了双馈风力发电机组的运行原理，在Matlab/Simulnik环境下建立了双馈风力发电控制系统的仿真模型。首次推导了以直流侧电压误差及网侧电流轴误差作为输入量的新型网侧幅相控制；采用基于定子电压定向下功率外环与电流内环的双闭环实现MPPT与变速恒频控制，并进行仿真分析。然后在基于NI Compact RIO实时控制器和FPGA的全开放可实时监控式实验平台上进行了空载并网及MPPT实验，验证了控制策略的有效性以及实验平台的可靠性和稳定性。

1 双馈风力发电机组的运行原理

双馈风力发电系统通常有风力机和发电机两部分构成，风力机部分由风轮和齿轮箱构成，发电机部分由双馈发电机、背靠背变流器、并网断路器等组成，其结构如图1所示[9,10]。

图1双馈风力发电系统结构

双馈发电机定转子分别通过并网断路器，双PWM变流器与电网连接，其中并网前，控制双PWM变流器即可控制定子电压幅值、相位、频率与电网电压一致，实现并网及变速恒频运行；并网后，控制转子电流的励磁分量及转矩分量即可控制双馈发电机无功功率及有功功率，实现最大功率跟踪。因此对双馈风力发电系统的控制实质上是对双PWM变流器的控制。

网侧变流器的主要控制功能是保持直流母线电压的稳定，输入电流正弦和控制输入功率因数达到要求[11]。

机侧变流器的主要控制功能是为转子提供合适的励磁电流以实现变速恒频；控制转子电流转矩分量来控制双馈发电机的有功功率实现最大功率跟踪；并提供合适的无功功率以保证电网的电能质量及稳定运行[12]。

2 控制策略的研究

2.1 双馈发电机的数学模型

根据电机学的相关知识，可以得到双馈发机在同步转速旋转坐标系、下的数学模型，可以用如式(1)~式(3)来描述[13]。

2.2 网侧变流器的控制策略

网侧变流器采用幅相控制，通过对变流器滞后角的控制来实现对交流侧有功功率的控制从而保证直流母线电压的稳定；通过对变流器输入端电压幅值的控制来实现对交流侧电流无功分量的控制，从而实现对功率因数的控制，如式(4)~式(6)所示。

2.3 转子侧变流器的控制策略

根据不同转速，机侧变流器控制策略不同。在启动期实现空载并网，并网后实现最大功率跟踪。机侧变流器采用定子电压定向于轴的方法，即

2.3.1空载并网控制策略

双馈电机并网时控制转子励磁电流产生达到并网要求的定子电压。空载并网时，定子侧,轴电流==0，此时双馈电机状态方程组可化为[15]

由式(9)~式(11)可推出双馈电机空载并网控制。

2.3.2变速恒频控制策略

根据电机学知识，要有效进行机电能量转换，发电机定转子产生的旋转磁场必须相对静止，即[16]

通常定子电压频率与电网频率相同，即为50 Hz。由式(12)可知，对于不同转子转速，只要有效地控制转子电流频率即可保证定子输出频率为工频(50 Hz)，即实现变速恒频。

2.3.3最大功率点跟踪控制策略

由贝茨定理可知，风力机在捕获的气动功率为

由式(13)可知，对于不同风速，要使风力机输出的功率最大，要求一致保持最大，即叶尖速比达到最优值(为定值)；根据可知，要实现最大功率跟踪就要求风力机的转速随着不同的风速调整为最优转速，其控制系统框图如图2所示。

图2最大功率跟踪控制系统框图

并网后，忽略定子侧电阻及机械损耗时，将式(7)~式(8)代入双馈电机数学方程组式(1)~式(3)得：

3 仿真及实验研究

3.1 系统仿真研究

根据上文提出的控制策略对10 kW双馈风力发电系统进行仿真研究：根据式(13)建立风力机模型，根据图2建立双馈风力发电系统变速恒频及最大功率跟踪控制的模型。利用Matlab/Simulnk仿真软件，搭建双馈风力发电控制系统的仿真模型如图4所示。

仿真参数设置：三相两极双馈发电机，额定功率为10 kW，额定电压为380 V，转子转动惯量0.1 kg•m2，定子和转子绕组都为星形连接，定子、转子电阻及漏感分别为0.379 Ω、0.0 438 mH、0.314 Ω和0.0 449 mH，互感为0.0 427 mH，变流器开关频率为5.0 kHz，直流侧电容电压初始值为350 V，稳定值设在750 V。电机参数均折算到定子侧。

3.1.1变速恒频控制

本文采用三相两极双馈发电机，由式(12)可知，其同步转速为1 500 r/min。

图3DFIG控制系统框图

图4双馈风力发电系统仿真模型

图5(a)为0~1.2 s内双馈电机的转速波形，在0~0.37 s内转速为1 350 r/min，亚同步状态，在0.37~0.81 s内转速为1 500 r/min，同步状态，在0.81~1.2 s内转速为1 750 r/min，超同步状态；图5(b)为网侧电压与定子电压差值波形，可以看出网侧电压与定子电压幅值基本上一致；图5(c)为定子侧输出频率，稳定在工频50 Hz；图5(d)为转子侧电流波形，在0~0.37 s内转子电流频率为5 Hz左右，在0.37~0.81 s内转子电流为直流，频率为0，在0.81~1.2 s内转子电流相序反向，频率为5 Hz左右。

图5双馈电机变速恒频控制波形

从仿真结果可以看出，双馈电机在转子转速变化的过程中，只要通过控制转子励磁电流的幅值、频率、相位即可使定子侧输出电压与电网电压的幅值、相位、频率一致，即实现了变速恒频运行。

3.1.2最大功率点跟踪控制

根据经典控制理论可知，阶跃信号可以无误差跟踪I型及以上系统，本文模拟了阶跃风速模型。

图6为阶跃风下的转速变化和功率变化情况。其中图6(a)为风速的变化，图6(b)为双馈电机转速随风速的变化而阶跃变化，以追踪风力机的最大功率。图6(c)为阶跃风速下风力机的输出功率与双馈电机输出有功功率的比较。可以看出风力机的输出功率随着风速的阶跃变化而阶跃增长。除了在=0 s时，风速由0突变为5 m/s，双馈电机控制系统会出现一定的冲击，但是很快就能跟踪上风力机的输出功率，从而保证双馈电机的输出功率最大。在风速变化的过程中，系统始终保持最大的风能利用率，使得风力机运行在最大功率点上，风能利用系数如图6(d)所示。

图6阶跃风速下DFIG的最大功率追踪波形

3.2 实验研究

3.2.1实验平台的建立

由于NI Compact RIO-9082实时控制器具有较强的处理能力，较高的控制确定性和高度可靠性，可以用于实时控制性能较高的系统控制。本文搭建了由NI Compact RIO实时控制器、PC机、PLC、ABB变频器、三相异步电机、双馈发电机等构成开放式风力发电实验平台。系统的总体结构框图如图7(a)所示、实物如图7(b)所示，LabVIEW监控系统界面如图8所示。

图7全开放可实时监控风力发电实验平台

图8双馈风力发电实时监控界面

开放式的实验平台采用NI的LabVIEW软件来设计PC机上的风力发电的监控系统和程序开发，PLC控制ABB变频器来实现异步电机对风力机的模拟；NI Compact RIO实时控制器实现对相关电信号及物理信号的处理和控制，实现空载并网及最大功率控制等目标，同时通过以太网与LabVIEW监控系统进行通信。

3.2.2空载并网

图9为空载并网试验中，电网和定子A相电压的波形对比以及定子侧三相电流波形。图9(a)中，蓝线、红线分别为电网和定子侧A相电压。可以看出网侧电压波形为理想的正弦信号，而定子侧，在0~21.37 s内控制电压使其幅值、相位、频率与电网接近，符合并网要求，只是存在一些谐波干扰；在21.37 s实现空载并网，在21.37 s后定子电压与电网电压波形几乎完全重合。从图9(b)中可以看出，在21.37 s之前，定子电流为0，在21.37 s时实现并网，其最大冲击电流为2.38 A，实现了柔性并网。

图9 空载并网实验波形

3.2.3最大功率跟踪

图10为阶跃风速下最大功率跟踪波形。其中图10(a)为阶跃风速的模拟波形，风速从4 m/s跃变为5 m/s、6 m/s、6.4 m/s、6.8 m/s、7 m/s；双馈电机的转速及有功功率随着风速的变化而跃变，如图10(b)、图10(c)所示。随着阶跃风速的开始，发电机的转速随之而变化，从而使得双馈电机发出的有功功率达到最大，即实现了最大功率的跟踪；同时，双馈发电机输出的无功功率恒为0，实现了有功功率、无功功率解耦。

4 结论

本文研制了一套全开放可实时监控式双馈风力发电实验平台。该实验平台采用PLC控制异步电动机模拟风力机，将双PWM变流器接入双馈电机转子和电网之间；通过NI Compact RIO实时控制器，实现对双馈风力发电系统的控制；利用LabVIEW程序实现控制策略及监控系统。为了在该实验平台上实现双馈风力发电的运行控制，在分析了双馈风电机组运行原理基础上，给出了以直流侧电压误差及i误差作为输入量、的网侧幅相控制策略，基于定子电压定向下的空载并网及功率外环和电流内环的双闭环最大功率跟踪策略，Simulink仿真验证了控制策略的有效性及合理性。在该实验平台上进行了双馈电机空载并网，最大功率跟踪等特性研究，实验结果表明，双馈电机空载并网时，投入平滑，冲击电流较小，仅为2.38 A左右；并网后系统能够很快地实现有功功率和无功功率的解耦控制，最大功率跟踪控制，且动态特性较好。

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(编辑 姜新丽)

Study on full-open and monitoring-able experiment platform for DFIG wind power generation

NIAN Libo1, ZHANG Wenbin1, SU Shi2, YAN Yuting2

(1. Faculty of Mechanical Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500,China; 2. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China)

Current wind power experiment platform has many shortcomings such as the bottom code without open, the complex programming and the poor real-time monitoring, a set of wind power experimental platform which is full-open, easy programming and strong real-time performance is developed. The principles of doubly-fed induction generator (DFIG) are investigated. Amplitude phase control that is taking the DC voltage error andgqerror to control the inputandof the grid side converter are derived. The controlling strategies of grid-connection and power external loop and current inner loop under stator voltage orientation to realize maximum power point tracking are pulled. The effectiveness of the control strategy is examined in the Simulink environment. The experimental platform takes NI Compact RIO and PLC as the core controller is developed. The control strategy and monitoring system is realized by LabVIEW program. Experimental results indicate that the experimental platform is accurate and reliable, which can be applied to the study of the wind power generation technology.

This work is supported by Key Science and Technology Protect in Southern Power Gird Corp (No. K-YN2013-175).

doubly-fed induction generator; fully-open and real-time monitoring-able experimental platform; amplitude and phase control; double closed-loop control; grid-connection without load; maximum power point tracking

10.7667/PSPC151149

2015-07-05；

2015-09-30

念丽波(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为变速恒频双馈风力发电系统的控制；E-mail: yixihuahun@126.com

张文斌(1976-)，男，博士后，副教授，研究方向为智能微网控制新能源接入。

南方电网公司重点科技项目资助(K-YN2013-175)