CN103886791B - 基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台，其特征在于：该实验台包括PLC控制柜、异步电机、双馈发电机、全功率变流器、馈电柜、背靠背变流器、配电变压器及电能质量测量仪器。本发明填补了已有实验台的不足之处，以满足多方位的教学需求，实现一个关于风力发电的多功能实验台，它可以实现两种发电模式及两种变流器结构的相关实验，在操作之前可以在PC机种选择其中的一种发电方案，其检测实验范围包括从原始的风到所发出电的电能质量。让实验人员能够更加深入的了解风力发电的相关原理及相关的控制技术。

Description

基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台及实验方法

技术领域：本发明属于风力发电的高教仪器设备领域。尤其涉及一种风力发电能量转换及电能质量检测动模实验台及实验方法。

背景技术：近年来，在化石能源日益消耗并造成环境严重恶化的今天，风能作为清洁能源已经等到广泛的应用，它越来越被人们重视，其中一种有效的利用发式就是风力发电，风力发电成为各国的研究重点。要进行风力发电控制技术的研究，最理想的方法是进行现场实验。但是受环境、自然因素、天气、设备的体积庞大等条件的影响，不能随时对风力发电***进行试验，现场条件又较为恶劣，这给现场试验带来很多困难。因此在实验室构造风力发电技术的模拟平台就变得很有必要，通过模拟平台来模拟实际风力机的工作特性，利用风力机的模拟特性进行风力发电技术的相关研究。

随着风力发电的快速发展，越来越多的大功率风机的并入电网，使得电网电能质量严重降低。从而使风电的电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点。要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。所以对电能质量的检测和分析很有必要。

到目前为止，现有的实验台大多是单向的，只能完成一种发电***的相关实验，经济性不好，性价比不是很高，且效果差。

发明内容：

发明目的：本发明提供了一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台及实验方法，其目的是解决以往的实验台所存在的功能单一、经济性不好、性价比低和效果差的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台，其特征在于：该实验台包括PLC控制柜、异步电机、双馈发电机、全功率变流器、馈电柜、背靠背变流器、配电变压器及电能质量测量仪器；PLC控制柜连接至变频器，变频器连接至异步电机，异步电机与双馈发电机的轴相连并可以互逆发电，异步电机连接至全功率变流器，全功率变流器连接至馈电柜，馈电柜连接至配电变压器，配电变压器连接至变频器；双馈发电机一方面也连接至馈电柜，另一方面与背靠背变流器连接；PLC控制柜分别与全功率变流器和背靠背变流器连接；PLC控制柜连接PC机。

全功率变流器和双馈发电机均通过并网/拖动开关柜连接至馈电柜。

在背靠背变流器和全功率变流器之后分别连接一个相同的电能质量测量仪器，电能质量测量仪器包括电能质量分析仪、功率测量仪和波形示波仪。

分别在双馈风力发电机的转子侧与背靠背变流器之间并联一个保护变流器和直流电源的crowbar保护电路；全功率变流器中间并接一个chopper泄放电路；在异步电机与双馈发电机之间还装有一个转速转矩测量仪。

利用上述的基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台所实施的实验方法，其特征在于：该方法分为两种并列的方法，一种是利用双馈发电机发电，另一种是选择异步电机发电，具体步骤如下：

当选择双馈发电机发电时，PC机根据实际风场的各种运行工况，模拟各种风资源条件下的机组风轮驱动情况，然后通过PLC控制柜去全功率变流器驱动异步电机，通过异步电机拖动双馈风力发电机组运行，当达到并网速度时并且相序一致时可将双馈风力发电机组并网发电，此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程；

当选择发电方式为异步发电机发电时，双馈发电机的并网开关柜中的并网开关柜接通，通过PLC控制柜给全功率变流器传送指令，再通过控制背靠背变流器去改变双馈发电机转子的励磁电流，从而改变转子转速，当达到并网速度时并且相序一致时可将异步发电机组并网发电此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程。

该实验台的变流器控制策略如下：外环控制选用的是有功和无功控制，除此之外，有功功率外环可以为转矩或转速外环控制，内环控制器为电流闭环控制，其中定子侧有功功率p_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r为测试仪器实测的数值反馈到控制器中，当采用直接功率控制时，通过检测定子输出的瞬时有功、无功功率的误差以及定转子的磁链的位置信号，有功指令根据机组特性按最大风能捕捉原则给出，无功指令根据电网需求设定，根据检测出的功率与给定功率进行比较，误差通过PI功率调节器进行运算，分别输出电机定子电流有功及无功分量指令，然后与反馈的实际转子的有功无功分量电流i_rd、i_rq的误差通过PI调节器转化为电压指令，根据电压指令判断电压矢量所处的扇区，从开关是量表中选择最优的电压矢量以控制发电机的有功无功功率跟踪所给指令的变化，其中定子侧有功功率P_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r与转子电流的关系为：

T_e＝n_pL₀(i_qsi_dr-i_dsi_qr)＝L₀n_pψ_si_qr/L_s＝L₀n_pU_si_qr/(L_sω₁) (1)

P_s＝u_dsi_ds+u_qsi_qs＝U_si_qs＝U_sL₀i_qr/L_s (2)

Q_s＝u_qsi_ds-u_dsi_qs (3)

L_s为dq坐标系下定子绕组的自感；L₀为dq坐标系下定子绕组与转子绕组间的等效互感。u_ds和u_qs分别为定子电压dq轴分量，i_ds和i_qs分别为定子电流dq轴分量，i_dr和i_qr分别为转子电流dq轴分量，ψ_ds和ψ_qs分别为定子磁链dq轴分量，J为转动惯量。

为了整个***的安全起见，在发电机自动并网运行之前须完成手动并网，只有手动并网成功之后自动并网才能正常启动，其中手动并网主要是完成并网条件的相序是否一致，还包括检测电压幅值是否一样，电压直接用电压表测量，相序检测方法有三相同步整步法和示波器检测同步法，对于三相同步整步法有灯光明暗法、灯光旋转法；对于示波器检测同步法它是通过示波器通1、2通道分别检测电网和发电机三相中对应的一相的电压幅值、相位和频率来判断和调整相序一致，本发明采用三相同步整步法的灯光明暗法。

相序检测方法如下：将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间。并网方法为：①通过双馈变流器调节发电机转子励磁电流的大小改变定子端感应电压，使定子感应电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序(注意：不能调整电网侧相序带电危险)，必须停止拖动***等到发电机转速为零(因为双馈发电机转子和定子绕组中有剩磁存在，只要发电机转速不为零发电机定子就有感应电压)。可以断开S2和S3隔离开关之后调整转子相序或者定子相序实现，严格保证相序一致。③根据f₁＝f₂+f_m，其中f₁网侧电压频率，f₂励磁电流频率，f_m发电机轴旋转频率)，调节发电机转速或者调节双馈变流器励磁电流的频率来改变定子侧感应电压的频率直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明定子感应电压的频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关。

对于风功率的模拟，风功率可以表示为：

式(5)、(6)即为风力机的数学模型。其中，ρ为空气密度，kg/m³；A为流过风轮的气流截面积，m²；v为风速，m/s；λ为叶尖速比；ω_tur为风轮的机械角速度，rad/s；R为风轮半径，m；P_M为风机捕获的机械功率，W；T_M为风力机的机械转矩，N·m；C_P(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，其可用下述函数表示

令为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这3个值进行比较，切入风速之前设置β为0，当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为π/2。

异步电机采用鼠笼异步电机，这时采用基于气隙磁场定向的矢量控制，对于异步电机作为发电机及双馈电机的控制本试验台支持直接功率控制、直接转矩和转速控制的切换，同时还开放一个可编程控制器，支持下载自己编写的控制策略，方便实验研究：具体方法如下：

***采用速度闭环控制，转矩调节器是PI调节器，提供了转矩参考值经变换后得到电流分量参考值

式中：p为微分算子；T_rσ为转子漏磁时间常数；T_r为转子时间常数；p_n为极对数，当实验台中的鼠笼异步电机作为发电机时其控制策略与双馈电机作为发电机时的控制策略相同，只是变流器为全功率变流器。

双馈发电机或异步发电机并网后用电能质量测量仪器对发电的电能质量进行检测，检测项目包括电流、电压、功率、谐波、不平衡度、闪变等参数，在检测仪器界面上，可以显示出各种电能质量的检测指标情况，进行电能质量测试传感器、仪器仪表的观察、使用等，最终由PC机内的Labview***对数据进行显示、处理、储存等，得到机组的各项试验结果，并在显示器中显示出器波形图。

优点及效果：本发明提供了一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台及实验方法，该实验台包括PLC控制柜、异步电机、双馈发电机、全功率变流器、馈电柜、背靠背变流器、配电变压器及电能质量测量仪器；PLC控制柜连接至变频器，变频器连接至异步电机，异步电机与双馈发电机的轴相连并可以互逆发电，异步电机连接至全功率变流器，全功率变流器连接至馈电柜，馈电柜连接至配电变压器，配电变压器连接至变频器；双馈发电机一方面也连接至馈电柜，另一方面与背靠背变流器连接；PLC控制柜分别与全功率变流器和背靠背变流器连接；PLC控制柜连接PC机。

本发明填补了已有实验台的不足之处，以满足多方位的教学需求，实现一个关于风力发电的多功能实验台，它可以实现两种发电模式及两种变流器结构的相关实验，在操作之前可以在PC机种选择其中的一种发电方案，其检测实验范围包括从原始的风到所发出电的电能质量。让实验人员能够更加深入的了解风力发电的相关原理及相关的控制技术。

该实验台不仅能通过PC机数据库中的模拟风速进行试验而且还可以采集测风塔实测数据，并通过编写的风机动态模型程序对所获数据进行风功率模拟，以进行实时的动态模拟，然后根据这些模拟数据进行实验。

本发明与现有实验台相比，本发明的优点是：

1、本发明实用性好，性价比高，可以完成两套发电***的实验，即异步电机与双馈电机的转子轴相连，它们之间互逆，一个是异步电机拖动双馈电机发电，一个是双馈电机拖动异步电机发电。

2、该试验台不仅支持可选PC机数据库中预设的不同模拟风速进行试验还支持实测数据进行实时模拟风功率进行实验。

3、它可以模拟不同风速下的风力机特性及风功率，还可以实时进行并网实验、转速转矩模拟实验、机组的控制性能、输出功率特性及电能质量的在线监测和分析。

4、测试***采用国际通用的现场总线、接口及通讯网络，可以根据需求进行二次开发，具有很强的兼容性和扩展性。

5、***设计有远程监控和数据显示***，具有演示功能，可实时了解现场的试验情况，满足多方位的教学需求。

6、对于风力发电机的控制，本试验台支持直接功率控制、直接转矩和转速控制，同时还开放一个可编程控制器，支持下载自己编写的控制策略，方便进行控制策略的实验研究。

本发明可实现的风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。具体如下：

1)空载运转实验

2)并网控制过程实验

3)并网连续运行实验

4)风功率模拟实验

5)转矩模拟实验

6)发电功率模拟实验

7)风力发电机所发电的电能质量检测实验

8)电机控制策略模拟实验等。

本发明涉及两种风力发电机组试验***及其试验方法，能满足目前国内两大风力发电机组实验要求和教学要求，可对整机关键部件和***进行实验。其设计标准高，具备先进性和经济性，同时，该发明可以辅助“风力发电机及能量转换”“风电机组检测技术”课程的教学实验。

附图说明：

图1是本发明的连接结构图。

图2是为双向风电能量流向图。

图3是本发明中采用双馈发电机发电时的工作流程图。

图4是本发明中采用异步发电机发电时的工作流程图。

图5是三相同步发电机直接并网的检测方法图。

图6是本发明中的功率检测仪器框图。

图7是该试验台的电能质量分析仪工作原理的流程图。

图8是该试验台的变流器控制策略。

图9为为该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明作近一步说明：

如图1所示，本发明提供一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台，该实验台包括PLC控制柜、异步电机、双馈发电机、全功率变流器、馈电柜、背靠背变流器、配电变压器及电能质量测量仪器；PLC控制柜连接至变频器，变频器连接至异步电机，异步电机与双馈发电机的轴相连并可以互逆发电，异步电机连接至全功率变流器，全功率变流器连接至馈电柜，馈电柜连接至配电变压器，配电变压器连接至变频器；双馈发电机一方面也连接至馈电柜，另一方面与背靠背变流器连接；PLC控制柜分别与全功率变流器和背靠背变流器连接；PLC控制柜连接PC机。PC机连接测风塔。测风塔与显示中心控制台也就是PC机之间通过Profibus进行通信，PC机与PLC之间通过以太网协议进行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为Profibus。

在背靠背变流器后连接电能质量测量仪器，电能质量测量仪器包括电能质量分析仪、功率测量仪和波形示波仪；全功率变流器之后也连接相同的电能质量测量仪器。在背靠背变流器和全功率变流器之后分别接电能质量分析仪、功率测量仪和波形示波仪的目的是了解相应发电***所发电的电能质量及功率；并对产生的电流进进行动态实时测量、模拟并显示出波形。并且在异步电机和双馈电机之间轴上接有一转速转矩测量仪，对转矩转速进行实时动态的测量，测量数据均通过人机界面显示，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动***工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义，此外，转矩与功率的关系T＝9550p/n，p-功率(kW)、T-转矩(Nm)、n-转速(r/min)。通过测量转速转矩以了解功率的转换效率等关系。对于转矩转速传感仪采用HBM的TM12数字扭转传感器，通过fieldbus现场总线直接与***相连。

在双馈风力发电机的转子侧与背靠背变流器之间并联一个crowbar保护电路；全功率变流器中间并接一个chopper泄放电路；在异步电机与双馈发电机之间还装有一个转速转矩测量仪。

利用上述的基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台所实施的实验方法，该实验台能实现两套发电***，同时通过两套控制软件实现对应的发电模式的控制，一种是异步电机作为拖动电机拖动双馈电机运行发电，双馈发电机转子侧连接背靠背变流器，定子发出的电经过并网开关柜流入馈电柜；另一种是双馈电机作为拖动电机，异步电机作为发电机发电，定子发出的电经过全功率变流器流入馈电柜，具体步骤如下：

这里我们引入三相同步发电机直接并网的检测方法来让学生了解同步化的过程，同时防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。所以在进行风力发电之前，首先检查相序是否满足并网条件，对于检测方法，将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间。并网方法为：①通过双馈变流器调节发电机转子励磁电流的大小改变定子端感应电压，使定子感应电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序(注意：不能调整电网侧相序带电危险)，必须停止拖动***等到发电机转速为零(因为双馈发电机转子和定子绕组中有剩磁存在，只要发电机转速不为零发电机定子就有感应电压)。可以断开S2和S3隔离开关之后调整转子相序或者定子相序实现，严格保证相序一致。③根据f₁＝f₂+f_m，其中f₁网侧电压频率，f₂励磁电流频率，f_m发电机轴旋转频率)，调节发电机转速或者调节双馈变流器励磁电流的频率来改变定子侧感应电压的频率直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明定子感应电压的频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关。

对于风功率的模拟，风功率可以表示为：

式(5)、(6)即为风力机的数学模型。其中，ρ为空气密度，kg/m³；A为流过风轮的气流截面积，m²；v为风速，m/s；λ为叶尖速比；ω_tur为风轮的机械角速度，rad/s；R为风轮半径，m；P_M为风机捕获的机械功率，W；T_M为风力机的机械转矩，N·m；C_P(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，其可用下述函数表示

令为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这3个值进行比较，切入风速之前设置β为0，当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为π/2。

当选择双馈发电机发电时，PC机根据实际风场的各种运行工况，模拟各种风资源条件下的机组风轮驱动情况，然后通过PLC控制柜去控制变频器驱动异步电机，通过异步电机拖动双馈风力发电机组运行，当达到并网速度时并且相序一致时可将双馈风力发电机组并网发电，此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程。

当选择发电方式为异步发电机发电时，双馈发电机的并网开关柜中的并网开关柜接通，通过PLC控制柜给全功率变流器传送指令，再通过控制背靠背变流器去改变双馈发电机转子的励磁电流，从而改变转子转速，当达到并网速度时并且相序一致时可将异步发电机组并网发电此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程。

双馈发电机或异步发电机并网后用电能质量测量仪器对发电的电能质量进行检测，检测项目包括电流、电压、功率、谐波、不平衡度、闪变等参数，在检测仪器界面上，可以显示出各种电能质量的检测指标情况，进行电能质量测试传感器、仪器仪表的观察、使用等，最终由PC机内的Labview***对数据进行显示、处理、储存等，得到机组的各项试验结果，并在显示器中显示出器波形图。

对于鼠笼异步电机作为拖动电机时采用基于气隙磁场定向的矢量控制，对于异步电机作为发电机及双馈电机的控制采用直接功率控制、直接转矩控制和转速控制的切换，同时还开放一个可编程控制器，支持下载自己编写的控制策略，方便风力发电控制策略的实验研究。可以选择其中的一种控制方法进行实验，当采用直接功率控制。具体通过检测定子输出的瞬时有功、无功功率的误差以及定转子的磁链的位置信号，有功指令根据机组特性按最大风能捕捉原则给出，无功指令根据需求自行设定，根据与检测出的功率与给定功率进行比较，误差通过PI功率调节器进行运算，分别输出电机定子电流有功及无功分量指令，然后与反馈的实际转子的有功无功分量电流i_rd、i_rq的误差通过PI调节器转化为电压指令，根据电压指令判断电压矢量所处的扇区，从开关是量表中选择最优的电压矢量以控制发电机的有功无功功率跟踪所给指令的变化。

本发明的实验台不仅能通过PC机数据库中的模拟风速进行试验而且还可以采取测风塔实测数据，通过建有风机动态模型的软件对所获实测数据进行风功率预测模拟，然后根据这些模拟数据进行实验，根据这些预测数据可以对风能质量有一定的了解及进行评估，这些风功率预测数据一方面存入风功率预测数据库并通过人机界面显示出来；一方面根据风功率预测数据去控制变频器，从而控制拖动异步电机，其中所述变频器选用ABB变频器。

本发明的特点是可以进行双向发电，实验操作员可以根据相应的需要在操作界面中选择一种方案。基本原理是通过大功率的原动机替代风轮去拖动发电机运行，通过风功率预测软件对测风塔实测数据进行模拟预测或直接采用PC机数据库中预置的风速数据模拟风，然后根据这些模拟数据去控制PLC控制柜，PLC控制器分别向控制单元发出相应的控制信号，选择的方案不同，发出的控制信号也不相同，根据选择的方案，各控制单元选测与之相应的控制策略，随着风速的实时变化，控制单元且可以根据风速情况对原动机进行调速。当速度达到机组并网速度时，机组变流器将机组并入电网，并且在并入电网之后通过调整原动机转速在变流器允许范围内运行，通过调整变流器的功率因数给定，可以实现发电量和功率因数的调节。

如图1中所示，现场测风塔实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后的数据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标准差检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述数据库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电场出力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时对风电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面通过人机界面显示。

图1中PLC控制柜的功能是根据实测风速或PC机数据库中预置不同模拟风向PLC控制柜发出控制信号，PLC控制柜向控制单元发出指令，从而控制原动机的转速，即控制发电机的转速，当风速达到切入速度时，控制***发出并网指令，从而实现风电的能量转换。发出的电均通过馈电柜反馈到配电变压器。

图2为双向风电能量流向图,红色为方案2,黑色为方案1。

当实验操作人员按课程需要选择本发明的双馈电机发电时，在PC机操作界面中选择方案1，同时PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别向全功率变流器和背靠背变流器发出相应的工作指令，全功率变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变双馈电机转子旋转速度，转子侧通过背靠背变流器对其进行励磁调节，同时转速转矩测量仪对异步电机与双馈电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所测转速和双馈电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网，其工作流程如图3。

当实验操作人员按课程需要选择异步电机发电时，在PC机操作界面中选择方案2，此时PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别向背靠背变流器和全功率变流器中发出相应的工作指令，此时，双馈电机的定子直接连接电网，通过转子侧背靠背变流器对其进行滑差调速，背靠背变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制双馈电机的转子励磁，从而改变双馈电机转子的旋转速度，即改变异步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器，DFIG旋转的同时，转速转矩测量仪对异步电机与双馈电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检测和分析，另外可以根据这些所测转速和双馈电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网，其工作流程如图4。

如图5所示，这里我们引入三相同步发电机直接并网的检测方法来让学生了解同步化的过程，同时防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。所以在进行风力发电之前，首先检查相序是否满足并网条件，对于检测方法，将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间。并网方法为：①通过双馈变流器调节发电机转子励磁电流的大小改变定子端感应电压，使定子感应电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序(注意：不能调整电网侧相序带电危险)，必须停止拖动***等到发电机转速为零(因为双馈发电机转子和定子绕组中有剩磁存在，只要发电机转速不为零发电机定子就有感应电压)。可以断开S2和S3隔离开关之后调整转子相序或者定子相序实现，严格保证相序一致。③根据f₁＝f₂+f_m，其中f₁网侧电压频率，f₂励磁电流频率，f_m发电机轴旋转频率)，调节发电机转速或者调节双馈变流器励磁电流的频率来改变定子侧感应电压的频率直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明定子感应电压的频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关。

如图6所示，分别是该实验台的功率检测仪器，它们通过多通道高速采集样板采集数据并转换为数字信号，然后经过数字处理***传送到数字量输出模块。它接在并网开关柜之后，如图1所示，分别测量器电压电流的大小、频率和相位，从而得出所发出的有功功率、无功功率、功率因数等参数，并通过显示器显示出来。

如图7所示，为该试验台的电能质量分析仪工作原理的流程图，如果是双馈风力发电机则电能质量检测点连在双馈电机的定子端和背靠背变流器之后；如果是异步电机作为发电机则电能质量检测点连接在全功率变流器之后，如附图1所示，在相应的方案下检测对应的电能质量，以了解风力发电状况。电能质量的检测流程如图5所示。通过多通道数据采集单元进行数据采集，然后把采集到的数据进行模数转换，转换为数字信号，经过多DSP数据处理。以保证参数的准确测量，然后把相应的参数和波形通过显示器显示出来，其中可可测量电压和电流的2-63次谐波；可测量电压偏差，频率偏差，电压波动和闪变等各种电能质量参数。三相不平衡度、矢量图显示、电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压等暂态数据测量，三项及单项功率、视在功率、有功功率、无功功率、基波功率因数、全功率因数等。

如附图8所示，为该实验台的变流器控制策略，外环控制选用的是有功和无功控制，除此之外，有功功率外环可以为转矩或转速外环控制，内环控制器为电流闭环控制。其中定子侧有功功率p_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r为测试仪器实测的数值反馈到控制器中。以采用直接功率控制为例，具体通过检测定子输出的瞬时有功、无功功率的误差以及定转子的磁链的位置信号，有功指令根据机组特性按最大风能捕捉原则给出，无功指令根据电网需求设定，根据与检测出的功率与给定功率进行比较，误差通过PI功率调节器进行运算，分别输出电机定子电流有功及无功分量指令，然后与反馈的实际转子的有功无功分量电流i_rd、i_rq的误差通过PI调节器转化为电压指令，根据电压指令判断电压矢量所处的扇区，从开关是量表中选择最优的电压矢量以控制发电机的有功无功功率跟踪所给指令的变化，其它的控制方法以此相似。其中定子侧有功功率P_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r与转子电流的关系为：

T_e＝n_pL₀(i_qsi_dr-i_dsi_qr)＝L₀n_pψ_si_qr/L_s＝L₀n_pU_si_qr/(L_sω₁) (1)

P_s＝u_dsi_ds+u_qsi_qs＝U_si_qs＝U_sL₀i_qr/L_s (2)

Q_s＝u_qsi_ds-u_dsi_qs (3)

L_s为dq坐标系下定子绕组的自感；L₀为dq坐标系下定子绕组与转子绕组间的等效互感。u_ds和u_qs分别为定子电压dq轴分量，i_ds和i_qs分别为定子电流dq轴分量，i_dr和i_qr分别为转子电流dq轴分量，ψ_ds和ψ_qs分别为定子磁链dq轴分量，J为转动惯量。

如附图9所示，为该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略图。此时，鼠笼异步电机采用基于气隙磁场定向的矢量控制策略。***采用速度闭环控制，其特点是矢量控制***简单，气隙磁通易于检测，用以处理和控制磁路饱和。转矩调节器是PI调节器，提供了转矩参考值经变换后得到电流分量参考值

式中：p为微分算子；T_rσ为转子漏磁时间常数；T_r为转子时间常数；p_n为极对数。当实验台中的鼠笼异步电机作为发电机时其控制策略与双馈电机作为发电机时的控制策略相同，只是变流器为全功率变流器。

除此之外，该试验台还配有以可编程控制器，实验者可以将自己的控制策略下载到控制器中进行实验，方便风电能量转换的控制策略优化要研究。

本发明很好的解决了现有实验台所存在的问题，其效果明显，结构合理，使用方便快捷，扩展性好，能够很好的满足教学需求，利于在仪器设备领域推广应用。

Claims (4)

1.一种基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台，其特征在于：该实验台包括PLC控制柜、异步电机、双馈发电机、全功率变流器、馈电柜、背靠背变流器、配电变压器及电能质量测量仪器；PLC控制柜连接至变频器，变频器连接至异步电机，异步电机与双馈发电机的轴相连并可以互逆发电，异步电机连接至全功率变流器，全功率变流器连接至馈电柜，馈电柜连接至配电变压器，配电变压器连接至变频器；双馈发电机定子通过并网开关连接至馈电柜，转子与背靠背变流器连接；PLC控制柜分别与全功率变流器和背靠背变流器连接；PLC控制柜连接PC机；

全功率变流器和双馈发电机均通过并网/拖动开关柜连接至馈电柜；

在背靠背变流器和全功率变流器之后分别连接一个相同的电能质量测量仪器，电能质量测量仪器包括电能质量分析仪、功率测量仪和波形示波仪；

在双馈发电机的转子与背靠背变流器之间接入一个保护变流器和直流电源的crowbar保护电路；全功率变流器并接一个chopper泄放电路；在异步电机与双馈发电机之间还装有一个转速转矩测量仪；

PC机与PLC控制柜之间通过以太网协议进行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信。

2.利用权利要求1所述的基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台所实施的实验方法，其特征在于：该方法分为两种并列的方法，一种是利用双馈发电机发电，另一种是选择异步电机发电，具体步骤如下：

当选择双馈发电机发电时，PC机根据实际风场的各种运行工况，模拟各种风资源条件下的机组风轮驱动情况，然后通过PLC控制柜去控制变频器驱动异步电机，通过异步电机拖动双馈发电机组运行，当达到并网速度时并且相序一致时可将双馈发电机组并网发电，此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程；

当选择发电方式为异步发电机发电时，双馈发电机的并网开关柜中的并网开关接通，通过PLC控制柜给全功率变流器传送指令，再通过控制背靠背变流器去改变双馈发电机转子的励磁电流，从而改变转子转速，当达到并网速度时并且相序一致时可将异步发电机组并网发电，此时，电能质量测量仪器开始采集机组的运行信息并传送给控制***和测试***；在PC机的操作界面上，可以进行不同工况的选择模拟，也可以显示实时采集的风资源情况，可以进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、励磁调节、并网的过程；

该实验台的变流器控制策略如下：外环控制选用的是有功和无功控制，除此之外，有功功率外环可以为转矩或转速外环控制，内环制控制器为电流闭环控制，其中定子侧有功功率p_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r为测试仪器实测的数值反馈到控制器中，当采用直接功率控制时，检测定子输出的瞬时有功、无功功率的误差以及定转子的磁链的位置信号，有功指令根据机组特性按最大风能捕捉原则给出，无功指令根据电网需求设定，根据检测出的功率与给定功率进行比较，误差通过PI功率调节器进行运算，分别输出电机定子电流有功及无功分量指令，然后与反馈的实际转子的有功无功分量电流i_rd、i_rq的误差通过PI调节器转化为电压指令，根据电压指令判断电压矢量所处的扇区，从开关矢量表中选择最优的电压矢量以控制发电机的有功无功功率跟踪所给指令的变化，其中定子侧有功功率P_s、定子侧无功功率Q_s、电磁转矩T_e和转子转速ω_r与转子电流的关系为：

T_e＝n_pL₀(i_qsi_dr-i_dsi_qr)＝L₀n_pψ_si_qr/L_s＝L₀n_pU_si_qr/(L_sω₁) (1)

P_s＝u_dsi_ds+u_qsi_qs＝U_si_qs＝U_sL₀i_qr/L_s (2)

Q_s＝u_qsi_ds-u_dsi_qs (3)

<mrow> <mi>J</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&amp;omega;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>B&amp;omega;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

L_s为dq坐标系下定子绕组的自感；L₀为dq坐标系下定子绕组与转子绕组间的等效互感；u_ds和u_qs分别为定子电压dq轴分量，i_ds和i_qs分别为定子电流dq轴分量，i_dr和i_qr分别为转子电流dq轴分量，ψ_ds和ψ_qs分别为定子磁链dq轴分量，J为转动惯量。

3.根据权利要求2所述的基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台所实施的实验方法，其特征在于：在发电机自动并网运行之前须完成手动并网，还包括检测电压幅值是否一样，电压直接用电压表测量，相序检测方法采用三相同步整步法的灯光明暗法。

4.根据权利要求2所述的基于双馈发电机的动模双向风电能量转换实验台所实施的实验方法，其特征在于：双馈发电机或异步发电机并网后用电能质量测量仪器对发电的电能质量进行检测，检测项目包括电流、电压、功率、谐波、不平衡度及闪变参数，在检测仪器界面上，可以显示出各种电能质量的检测指标情况，进行电能质量测试传感器、仪器仪表的观察、使用，最终由PC机内的Labview***对数据进行显示、处理、储存，得到机组的各项试验结果，并在显示器中显示出波形图。