双馈感应风力发电系统实验平台的设计与实现

摘要：基于在亚同步和超同步工作模式下实现能量转换的双馈感应风力发电工作原理，设计了双馈感应风力发电系统实验平台，主回路包含三相绕线式异步电機、代替风力机的直流调速电机、直流伺服驱动器、双PWM励磁变换模块和各类低压电器，控制电路包含TMS320F28335型DSP、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、采样电路、驱动电路和PLC控制回路，监控电路主要包含PLC上位机监控系统，通过组态软件对风速进行控制和监控，最终实现了双馈感应风力发电系统实验平台的实物研制。

关键词：双馈感应;风力发电;实验平台

0 引言

据统计，到2050年地球上的石油储量将开采完，石油占据全球年耗能的40%;到2230年左右地球上的煤炭将开采完，煤炭占据全球年耗能的30%;到2070年天然气将枯竭，天然气占据全球年耗能的20%[1]。从以上数据可以看出，世界上主要的能源将在不久的将来开采完，而随着工业的飞速发展，世界各国对于能源的需求越来越大，传统的能源有限，因此，开发利用新能源来补充现有能源的短缺，已经成为全球各国亟需解决的问题。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。风能是太阳能的一种转换形式，生活中的风大多是由于温差产生的，自然界中的也一样，太阳辐射到地球表面，地球表面受热不均匀，各个空间位置的温度不一样，会产生温差，进而形成空气的流动，当大范围的区域有温差时，自然界的风就形成了，风能就是空气的动能，其大小不仅和风速有关，还和温度、空气密度等有关[2]。

部分风能不能被直接使用，必须将其转换为另一种形式的能量。风力发电机是将风能转换为机械能，再将机械能转换为电能的装置，使用风力发电机能将风能转换为电能，供人们使用。我国东部沿海城市众多，且大多为较发达城市，对能源的需求较大，而东部沿海海岸线较长，周边风能存储能量较大，如何将其有效利用起来成为我国亟待解决的问题。在此基础上，本文对双馈感应风力发电系统实验平台进行了设计，并成功实现了实物的研制。

1 双馈风力发电工作原理

风力发电系统主要承担将风能转化为电能的任务，其中风力机的主要任务是将风能转换为机械能，双馈感应发电机主要将风力机传递的机械能转化为电能。双馈感应发电机是整个发电系统的核心[3]，因此首先对其工作原理进行阐述。

由电机学可知，发电机（电动机）的输出（输入）电压频率f、电机极对数p和电机旋转速度nr三者之间存在一定的关系，即：

双馈感应风力发电系统的结构包含风力机、双馈感应发电机（DFIG）、转子侧变换器、网侧变换器、控制电路、感抗器、变压器、电网和其他低压控制电路等部分。DFIG定子绕组连接电网，用于将输出的电能传递到电网上。DFIG转子通过联轴器与风力机相连接，风力机通过最佳叶尖速比，能够将风能最大限度转化为机械能，供整个系统使用。DFIG转子绕组连接转子侧变换器和网侧变换器，能够将产生的电能与电网进行双向传递[4]。双馈感应风力发电系统主要的工作状态包含亚同步、超同步和同步状态。

双馈感应发电系统在亚同步状态运行时的工作原理如图1（a）所示，此时DFIG转子转速低于气隙磁场旋转速度，其能量流向为风力机产生的机械能一部分从双馈感应电机定子绕组传递到电网上，另外一部分从电网通过双PWM励磁变换器反馈到双馈感应电机转子绕组上，发电机功率关系：输入的机械功率=定子侧输入给电网的电能-电网给转子侧的电能。

双馈感应发电系统在超同步状态运行时的工作原理如图1（b）所示，此时DFIG转子转速高于气隙磁场旋转速度，其能量流向为风力机产生的机械能一部分从双馈感应电机定子绕组传递到电网上，另外一部分从双馈感应电机转子绕组通过双PWM励磁变换器传递到电网上，发电机功率关系：输入的机械功率=定子侧输入给电网的电能+转子侧给电网的电能。

当DFIG转子转速等于气隙磁场旋转速度时，双馈感应电机等同于同步发电机，双馈感应电机与双PWM励磁变换器之间没有能量的传递，其能量流向为风力机产生的机械能全部从双馈感应电机转子绕组传递到电网，发电机功率关系：输入机械功率=定子侧输入给电网的电能。

双馈感应电机主要工作在亚同步和超同步工作状态，其转子通过交流励磁电源既可以吸收电网的电能，又能将电能传递给电网，实现了能量的双馈，因此命名为双馈感应发电机（DFIG）。DFIG功率传递与普通交流电机有很大的不同，定/转子能同时进行功率传递，其电能利用率高。

2 实验平台设计

本文设计的双馈感应风力发电系统实验平台原理如图2所示，其硬件结构主要包含断路器、电抗器、隔离变压器、熔断器、西门子直流调速装置、直流电机、联轴器、三相绕线式异步电机、双PWM励磁变换模块、PLC、上位机监控和主控板电路等部分。由于该系统由多个CPU构成，因此为主从式数字分布控制系统，主站主要是DSP电路，从站包含PC监控和PLC控制继电器电路。

在主回路中，发电机使用三相绕线式异步电机，直流电机的转子通过联轴器与三相绕线式异步电机转子相连来代替风力机，PLC控制西门子直流伺服驱动器，进而控制直流电机转速来模拟风速。直流电机通过转子联轴器拖动绕线式电机转子，使其转子侧发电，绕线式异步电机发出的三相电通过双PWM变换器模块将三相电转变为工频50 Hz、相电压有效值220 V和相位角相差120°的市电，并连入电网。

系统控制部分由TMS320F28335型DSP控制芯片、EP1C12Q240I8型FPGA芯片、AD5675模数转换芯片、驱动隔离和各部分接口组成。其中TMS320F28335型控制芯片在保持传统DSP处理器优点的基础上，集成了复杂的浮点运算模块，能够实现32位浮点型数据的运算，这为电机复杂的矢量运算提供了方便，该芯片主要用于控制PWM信号，并读取EP1C12Q240I8型芯片发送的数据信号。此外，EP1C12Q240I8用于将采集的各个信号传输给主控芯片，AD5675模数转换芯片分别采集市电的三相电流、三相电压、两相正弦信号相位差、电磁转矩、电机转速，DFIG发出的三相电压、三相电流、直流母线电压，双PWM输出的三相电压和三相电流等信号。驱动部分主要使用2SP0115T驱动芯片，用于PWM驱动信号的放大。

系统监控部分主要包含PC上位机监控系统。通过施耐德PLC组态软件对风速进行控制和监控，利用CCS3.3编译软件和仿真器对系统的监测电压、电流进行监控。PLC控制主电路的通断信号，包含西门子直流调速器、接触器和继电器等回路。

3 硬件实物

图3所示为双馈感应风力发电系统实验平台实物主控制柜的正面和反面，柜体正面上方包含双PWM励磁变换器和直流伺服电机驱动器，用于控制电源电压和频率的变化以及直流电机的调速;中间包为电抗器、变压器和接触器，用于抵抗三相电网的波动及主回路的控制;下方为三相电源母盘，用于三相电压的传递，各种接线端子用于信号的传递。反面有电阻箱，用于在系统脱离电网时消耗多余的能量;开关电源用于将220 V交流电转换为24 V直流电，为主控板和其他电器提供电源;主控板用于整个系统的控制;施耐德PLC控制器用于控制各类继电器。

4 结语

在全球石油、煤炭和天然气等主要传统能源即将被开采完，开发新能源成为全球各国亟需解决的问题的背景下，本文首先介绍了风能的产生原理及风力发电机的应用;然后阐述了双馈感应风力发电系统的工作原理，详细分析了亚同步、超同步工作模式下系统能量转换的工作过程;接着对双馈感应风力发电系统实验平台进行了设计，对系统的主回路、控制部分和监控部分进行了详细设计;最后在双馈感应风力发电系统实验平台设计原理框图的基础上，实现了实验平台实物的研制，并对实验平台中各个模块的布局进行了说明。

[参考文献]

[1] 贺益康，郑康，潘再平，等.交流勵磁变速恒频风电系统运行研究[J].电力系统自动化，2004，28（13）：55-59.

[2] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 杨金明，吴捷，杨俊华，等.风力发电技术探讨[J].太阳能，2003（3）：13-15.

[4] 刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].电力系统自动化，2003，27（20）：62-67.

收稿日期：2021-07-29

作者简介：张苏新（1987—），男，江苏苏州人，工程硕士，讲师，研究方向：电气控制、智能控制。