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如圖1所示，係統主要由監控裝置、風輪模擬拖動裝置以及永磁同步電機並網發電裝置三部分組成，主要軟硬件如表2所示。機組額定功率取5kW，這個功率等級基本可以模擬風力發電機係統的真實情況，具備較好的顯示效果，但又不會對電網有太大的衝擊，對進行試驗的學生來講也較為安全；另外5kW的電機產品在重量、大小等方麵都較為合適，電力電子器件的選型較容易。
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發電實驗台圖
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發電實驗台圖
1.1 監控裝置
監控裝置主要由PC機和PLC組成。PLC主要功能是采集實驗平台各組成單元的各項數據（如電機的電壓、電流和轉速等，電力電子並網接口的電壓、電流等）、啟停並向變頻器發出轉速指令、向電力電子並網接口電路的DSP控製卡發出啟停和並網指令、修改實驗平台參數等，監視整個係統的工況。PC機的主要功能是將PLC采集到的數據存儲以及以可視化的方式顯示出來，便於直觀了解係統的工況，另外用戶還可以通過圖形化的使用界麵操作整個實驗平台，比如啟動風輪模擬拖動裝置帶動永磁同步發電機按某一轉速轉動、啟動電力電子接口電力實現係統的並網和脫網等。
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圖1直驅型永磁同步電機風力並網發電動態模擬係統
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係統結構圖
表2 直驅式實驗係統的主要軟硬件清單
名 稱
規 格
台式個人電腦
PLC可編程控製器
含數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、網絡模塊等
5.5kW變頻器
5.5kW,1500rpm
永磁同步發電機
5kW,1500rpm
額定相電壓為160～220V（有效值）
不控整流器
6個1200V、75A功率二極管所組成
直流升壓變換器
1個1200V 75A IGBT、1個1200V 75A 功率二極管和20A 10mH電抗器
並網逆變器
3相橋IPM模塊組成（1200V，75A）
3個20A 10mH 電抗器
DSP控製器
基於DSP28335的控製器（開發係統）
單路接觸器開關
電流50A（係統並網啟動）
三相接觸器開關
相電流30A（並網逆變器啟動）
電機轉矩傳感器
電機光電測速碼盤
電壓電流傳感器等
PLC編程軟件
用於PLC編程
組態軟件
在計算機上開發圖形化控製、顯示、記錄係統
其他元件
如液晶顯示、操作麵板、傳感器等
1.2 永磁同步電機並網發電裝置
如圖2所示，永磁同步電機並網發電裝置主要由5kW永磁同步發電機、電力電子並網接口（由不控整流、boost直流升壓電路、並網逆變器以及基於DSP的高性能控製器組成）。主要功能是實現最大風能捕獲、並網發電運行等。
DSP根據檢測到的發電機的電壓和電流信號，經過處理後，控製boost升壓電路將盡可能多的電能送至並網逆變器，並網逆變器將boost電路輸送的電能變換為高質量的三相電能送至電網。
DSP控製器可通過串行通信接收來自PLC的指令改變並網電流的功率因數、實現並網發電裝置的啟停等。可直接與實驗室中的電力係統並網，不需要其他附件裝置。
實驗室可配置多套變頻器+異步電機+永磁發電機，共用一套並網電力電子裝置，實驗時錯開實驗內容及步驟，最大化的利用實驗資源，提高設備利用率。
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圖2 永磁同步電機並網發電裝置
二、 係統軟件
本風力發電係統由永磁同步電機，三相二極管整流電路，升壓斬波電路和電壓逆變電路構成。使用永磁勵磁同步電機可以實現高一些的效率並且簡化功率變換電路。采用結構簡單，成本低廉的三相二極管整流器，能獲得最大的線電壓，基波功率因素近似為1。發電機和二極管整流器結合在一起如同一簡單的直流電機。係統中的直流環節采用具有升壓功能的Boost變換器，從前級Boost變換器來看，風力能量的變化主要表現為電流的變化，Boost變換器的輸出端與逆變器的輸入端連接。直流電經過直流斬波電路升壓，再通過高功率因數的逆變器變換後將電能送入電網。采用不可控二極管整流器，由於缺乏勵磁控製，永磁電機產生與電機轉軸速度成比例的電動勢，為了得到最佳的空氣動力學上的效率，軸速要根據風速成正比變化。而永磁電機和二極管整流器係統是完全不可控的，因此要通過斬波器或者逆變器控製永磁電機獲得的直流電流來實現對轉矩的控製，從而得到理想的運行速度。
主電路和控製框圖如圖3所示，為了得到寬的變速範圍，通過三相二極管整流器和IGBT逆變器之間的升壓斬波器，調節輸入直流電流以跟從最優的參考電流從而跟蹤風力機的最大功率點。連接在電網的PWM逆變器通過調節直流連接電壓將電流送入公共電網。在逆變器控製結構中，采用d-q軸同步參坐標係，通過q軸電流控製有功功率，通過d軸控製無功功率，采用鎖相環PLL檢測電網電壓相位角。
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圖3 功率變換控製結構圖
對於三相電網采用單相同步的方法很難準確的實現dq坐標係與電網三相電壓合成矢量的同步，必須綜合三相電壓的相位信息。當電網電壓幅值，即電壓合成矢量Us的幅值不變時，Us的q軸分量Usq反映了d軸與電網電壓Us的相位關係。Usq>0時，d軸滯後Us，應增大同步信號頻率；Usq<0時，d軸超前Us，應減小同步信號頻率；Usq=0時，d軸與Us同相。因此，可通過控製Usq，使Usq=0來實現兩者之間的同相。基於這一思想,設計了一種采用DSP實現的三相軟件鎖相環(SPLL)。
圖4所示是三相軟件鎖相環的結構框圖，電網電壓經坐標變換後得到Usq,經過環路濾波器後改變壓控振蕩器的振蕩頻率。用DSP實現時，一般采用DSP內部定時器的循環計數來產生同步信號、實現壓控振蕩器和分頻器的功能,因此可通過改變定時器的周期或最大循環計數值的方法來改變同步信號的頻率和相位。
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圖4三相軟件鎖相環結構框圖
電網電壓和電流的幅值可以通過AD采樣直接得到，而相位的檢測主要有過零檢測和軟件鎖相環兩種方式。過零檢測方法是使用比較器將分壓後的電網電壓信號與0電平進行比較，比較器輸出的方波信號接到DSP的捕獲管腳，DSP軟件根據捕獲中斷確定每個電網周期的0度，並在每個控製周期對角度進行相應的累加，以得到電網電壓相位。軟件鎖相環方法則是首先對采樣的電網電壓進行坐標變換，然後對電網電壓的Q軸分量進行閉環控製，並在此過程中根據Q軸分量的控製偏差不斷地對電網電壓相位進行校正。
3.2 負載特性測試
如圖6所示，通過變頻器驅動異步電動機改變永磁同步發電機的轉速。固定轉速n= ni（i=1,2.3,….）,改變負載可調電阻R，測量永磁同步發電機整流輸出電壓Udc和輸出電流I，描繪在轉速一定的情況下輸出電流 I-輸出電壓Udc關係曲線以及輸出功率P=UdcI-輸出電流 I關係曲線，確定不同轉速下的最大功率點。
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3.3 電力電子接口並網運行實驗
如圖7所示，用市電網接調壓器模擬交流發電裝置的交流輸出，或將市電網、調壓器結合整流器視作直流發電裝置的輸出，測試電力電子接口的性能是否正常，模擬風電機組或其他分布式發電裝置的並網功能測試和操作實驗。
A、啟動並網和運行測試：並網閘刀K2合上，並網逆變器工作；合上閘刀K1後，啟動直流升壓變頻器投入工作，從電網汲取電能並將它回饋回電網。測量和記錄直流環節電壓、並網電流和電網電壓的暫態和穩態波形。改變回饋回電網的功率指令大小，記錄直流環節電壓、並網電流、電網電壓波形等數據；通過調節調壓器改變輸入電壓的大小，模擬實際輸入電壓的變化，記錄直流環節電壓、並網電流、電網電壓波形等數據。
B、正常停機操作：直流升壓變頻器停止工作，K1打開，然後並網逆變器停止工作，K2打開。測量直流環節電壓、並網電流和電網電壓的波形。並網閘刀並網逆變器工作。
C、異常停機操作：PLC實時檢測直流環節及並網環節的電壓、電流等數據，當超過設定的安全數值範圍，報警並依次打開K1、K2開關，停止電力電子接口的工作。
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圖7人電力電子接口並網運行實驗
3.4 風力發電機啟動並網和停機實驗
A、啟動並網操作：並網閘刀K2合上，並網逆變器工作；合上閘刀K1後，啟動變頻器驅動感應電機來拖動永磁同步電機發電，當發電機轉速高於切入轉速時，直流升壓變頻器投入工作，當轉速穩定時，係統工作在最大功率點上。測量和記錄發電機轉速、直流環節電壓、並網電流和電網電壓的暫態和穩態波形。
B、正常停機操作：變頻器驅動感應電機來拖動永磁同步電機發電，逐步降低發電機轉速，當發電機轉速低於切入轉速時，直流升壓變頻器停止工作，K1打開，然後並網逆變器停止工作，K2打開。測量發電機轉速、直流環節電壓、並網電流和電網電壓的波形。並網閘刀並網逆變器工作。
C、異常停機操作：PLC實時檢測感應電機、永磁同步發電機、直流環節及並網環節的電壓、電流等數據，當超過設定的安全數值範圍，報警並打開K2、K1開關，停止變頻器工作。
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圖8 永磁同步電機並網運行實驗
3.5 風力發電機正常運行實驗
風力發電機已完成並網正常運行，改變永磁發電機轉速，測量記錄發電機轉速、直流環節電壓、並網電流和電網電壓的波形變化、以及並網輸出功率的變化，確認係統工作穩態下始終在最大功率點上，計算並網電流的諧波畸變和功率因數。
3.6 脫網保護實驗
通過調壓器降低並網接入點的電壓，但電壓低於設定的值而並網電流過大時，K1打開，然後K2打開，完成脫網，隨後永磁發電機逐步降低轉速，實現停機。測量記錄發電機轉速、直流環節電壓、並網電流和電網電壓的波形變化、以及並網輸出功率的變化。
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圖9 脫網保護實驗
3.7 網側動態無功補償實驗
通過PLC檢測並網電流的功率因數和無功大小，發出無功補償功率指令，並網逆變器執行無功補償指令，測量記錄發電機轉速、直流環節電壓、並網電流和電網電壓的波形變化、以及並網輸出有功和無功功率的變化。
除基本實驗外，實驗室還可以進一步開發以下實驗，供演示或者驗證。
風速與輸出功率特性實驗
風能最大功率捕獲驗證實驗
係統控製編程實驗
網絡功能遠程控製實驗
I/O控製實驗等
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