永磁直驱风力发电实验报告

实验一永磁同步风力发电系统接线实验
一、实验目的
1.掌握永磁同步风力发电系统的基本结构及组成；
2.掌握永磁同步风力发电实验系统各部分间的接线。

二、实验原理
1.永磁同步风力发电系统的结构及组成
永磁步风力发电系统主要由模拟风力发电机、双向变流器、电网以及电量监视仪表等部分组成。

系统组成及控制原理框图如图1-1所示。

机侧变流器网侧变流器
图1-1永磁同步风力发电系统原理框图
2.模拟风力发电机
模拟风力发电机即永磁直驱风力发电机组，包括风力机及永磁同步发电机、和增量编码器等组成，其中风力机由三相异步变频调速电动机组成，其由单独地变频控制转动，来模拟风力机转动，如图1-2所示。

另外，图1-3中的永磁直驱风力发电模拟系统控制柜里面包含三相变频器，是控制三相异步变频调速电机转动，模拟风机带动永磁同步电机转动发电，风力机的定子接线端接到该控制柜。

图1-4中的直驱永磁风力发电机组变频柜里面包含机侧变流器和网侧变流器，是对永磁同步发电机发出的电进行PWM整流和逆变，增量编码器的A、A_、B、B_、Z、Z_信号输出端，以及永磁同步电机的定子输出端都要接到该控制柜。

直驱永磁风力发电机组变频柜的输出端接到电网上，如图1-2所示。

增增增增增
增增增增增增增增增增增增增增
增增增
增增增增增增增增增增增增增增增
图1-2 永磁直驱发电机组结构图
图1-3 永磁直驱风力发电模拟系统控制柜
机侧控制
板
网侧
控制
板增量式
输入接
口
图1-4 永磁直驱风力发电机组变频柜
图1-5 电网接入端口
三、 实验内容及步骤
1. 实验准备
实验前请仔细阅读系统的安全操作说明及系统相关的使用说明书，识别并准备完成实验开始前所需的器件。

2. 实验步骤
1） 将机组中三相异步变频调速电动机的定子输入三相线接到永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的U ，V ，W 端子上，注意变频器输出相序和风力机的定子输出相序一致。

2） 将机组中增量式编码器输出端口的A 、A _、B 、B _、Z 、Z _
信号输出端口接到永磁直驱
风力发电机组变频柜的机侧控制板上对应的增量式编码器输入接口。

3）将机组中永磁同步电机的定子输出三相线接到永磁直驱风力发电机组变频柜的输入U，V，W端子上。

注意永磁同步电机的定子输出相序和永磁直驱风力发电机组变频柜的输入相序一致。

4）将永磁直驱风力发电机组变频柜输出的U１，V１，W１端子接入电网，注意接入电网时，将图１-５中的空气开关断开，禁止带电操作，同时注意电网相序和永磁直驱风力发电机组变频柜输出的相序和电网相序一致，因此实验前可以用相序表测一下电网相序。

5）完成后，在系统上电前，请仔细检查并确保前面各部分间的连接正确。

6）依次合上永磁直驱风力发电机组变频柜和永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的“总电源”、“控制器电源”、“三相电源”开关，按下永磁直驱风力发电机组变频柜的“电源启动”按钮，此时交流接触器合上，算热风扇开始工作，触摸屏亮起。

7）按下触摸屏中网侧的“启动”按钮，此时“网侧运行”指示灯亮，在触摸屏中依次给定直流母线电压参考电压“600V”和无功电流参考“0A”指令，此时直流侧母线电压上升，观察触摸屏上的直流母线电压上升到600V后，说明网侧接线正确。

接着，在触摸屏中，按下机侧启动按钮，此时“机侧运行”指示动亮，输入有功电流（1A）和无功电流（0A）指令，并将永磁直驱风力发电模拟系统控制柜启动控制为恒速，在触摸屏上观察到实际有功电流为1A，此时表明机侧接线正常。

8）停止系统运行时，依次先按下触摸屏中机侧变流器“stop”建，此时“机侧运行”指示灯熄灭，再将永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的停机建按下，此时风机停止运行，接着将按下触摸屏中网侧变流器“stop”键，“网侧运行”指示灯熄灭，最后按下“电源停止”键，触摸屏熄灭。

中间如出现故障，按下“急停按钮”，关闭各种电源。

四、实验报告
简述永磁同步风力发电系统的结构、组成及基本工作原理。

实验二、永磁同步风力发电机并网过程实验
一、 实验目的
1. 了解永磁同步风力发电机并网控制原理；
2. 掌握永磁同步风力发电机并网所需要满足的条件。

二、 实验原理
1. 永磁同步发电机的工作原理
永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。

永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。

永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。

永磁同步电机的转子磁极是用永久磁钢制成的，通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。

该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合，并随转子以同步速度旋转。

因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。

永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交流电建立的，定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。

因此，当负载一定时，定、转子旋转磁场之间的差角一功率角是恒定的，通过折算并保持功率角为90度。

这样，永磁同步发动机就和直流电动机基本相同了，可以实现解制，即转子磁场定向的矢量控制。

建立永磁同步发电机的数学模型,需先做以下假设：
（1） 忽略铁心磁饱和；
（2） 忽略发电机的齿槽效应；
（3） 转子磁链在气隙中呈正弦分布；
（4） 转子上没有阻尼绕组，不计涡流及磁滞损耗；
（5） 定子各相绕组参数一样，即各相绕组的电枢电阻值、电感值等。

永磁同步发电机的三相定、转子空间分布如图1所示，三相绕组在空间对称分布，沿着逆时针方向各绕组轴线互差120度电角度，转子按逆时针方向旋转，在上述规定下，定子绕组将产生三相正序电压。

A
图2-1. 永磁同步电机定、转子空间分布图 根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下的永磁同步电机的定子电压方程为：
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+---=++-=sq q f q sd q d e sq q a sq sd d sq d q e sd d a sd u L L i L L i L R dt
di u L i L L i L R dt di 1)1(1ψωω (2-1) 式中：e ω是电角频率；f ψ是永磁体的磁链；L d 、Lq 分别是发电机的d 轴和q 轴电感；
i sd 、i sq 分别为永磁同步发电机定子输出电流的d 轴和q 轴分量；u sd 、u sq 分别是永磁同步发电机定子输出电流、电压的d 轴和q 轴分量。

假设发电机d 轴和q 轴电感相等，即L d =L q =L 则上式可变形为：
⎪⎩⎪⎨⎧+---=++-=sq f sd e sq a sq sd sq e sd a sd u L L i i L R dt
di u L i i L R dt di 1)1(1ψωω (2-2) 永磁同步发电机在dq 同步旋转坐标系下的等值电路如图2所示。

R L u q
R L u d
(a) q 轴等效电路 (b) d 轴等效电路
图2-2. 永磁同步电机等效电路图
永磁同步发电机电磁转矩的表达式为： ])[(2
3f sq sq sd q d p e i i i L L n T ψ+-= (2-3) 风力发电用永磁同步发电机的永磁体多采用径向表面式分布，即Ld=Lq 。

此时发电机的电磁转矩可简化为：
sq f p e i n T ψ2
3= (2-4) 其中，n p 为发电机的极对数，由式4可以看出，发电机的电磁转矩与定子q 轴电流成正比，因此可以调节i sq 即可调节永磁同步发电机的电磁转矩，进而调节发电机和风力机的转速。

2. 并网控制原理
直驱 PMSG 风力发电机组中，永磁同步发电机不直接和电网连接，因此电网与永磁同步风电机组之间的交互主要通过电网侧变换器的控制来完成，如图2-3。

电网侧变换器的主要任务有两个：一是按照电网的要求，在不超过电网侧变换器容量的前提下输出一定的无功功率，实现网侧功率因数调整；二是负责将永磁同步发电机输出的有功功率及时的传送至电网，这通常是通过控制直流侧电压稳定来保证的，而直流侧电压的稳定是电网侧变换器和电机侧变换器互不干扰、独立控制的前提条件。

为此，需要对电网侧变换器的模型及基本控制方法进行分析。

三相整流电压源逆变器
图2-3. 永磁同步发电机工作示意图
并网主要是对网侧的电压源逆变器进行控制，电网侧变换器有多种控制策略，包括基于电网电压定向的矢量控制、基于虚拟电网磁链定向的矢量控制以及直接功率控制等。

目前，
基于电网电压定向的矢量控制应用最为广泛，商品化的变频器绝大多数采用这种控制方法或其改进策略。

电网侧变换器按照电网电压定向方式来控制：即电网电压矢量定向在d 轴上，则电网电压在q 轴上的投影为零。

以电网电压空间矢量方向为d 轴方向，与之垂直的方向超前90°为q 轴方向，则有：
⎪⎩
⎪⎨⎧===0gq g g gd u U U u (2-5) 因此，可以得到：
⎪⎪⎪⎩
⎪⎪⎪⎨⎧-+=---=+--=L gq q gd d dc gd g gq g gq g cq gq g gd g gd g gd cd i i S i S dt du C i L dt di L i R u i L dt di L i R u u ωω (2-6) dq 同步旋转坐标系下，电网侧变换器输入的有功功率和无功功率分别为：
⎩⎨⎧-=+=gd
gq gq gd g gq gq gd gd g i u i u Q i u i u P (2-7) 在电压矢量定向控制方式下，可简化为：
⎩⎨⎧==gd gd g
gd gd g i u Q i u P (2-8) 上式中，P g 小于0表示电网侧变换器工作于逆变状态，有功功率从直流侧流入三相交流电网；P g 大于0表示电网侧变换器工作于整流状态，有功功率从三相交流电网流入直流侧。

Q g 小于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收超前的无功电流；Q g 大于0表示电网侧变换器从三相交流电网吸收滞后的无功电流。

因此，可以将d 轴、q 轴分别视为有功通道和无功通道，通过控制电流d 、q 轴分量i gd 和i gq 就可以独立的调节电网侧变换器输出的有功功率和无功功率。

根据式(2-8)，用直流侧电压环的输出作为d 轴电流分量(有功电流)的给定值，它反映了电网侧变换器输入至电网的有功功率大小。

通过控制q 轴电流分量(无功电流)控制电网侧变换器发出的无功功率。

因此，对电网侧变换器的控制可采用双闭环结构：外环为直流侧电压控制环，主要作用是稳定直流侧电压，其输出为电网侧变换器的d 轴电流给定量i gd *；内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令i gd *以及设定的无功电流指令i gq *以实现快速的电流控制。

由式(2-6)可知，d 、q 轴电流除了受控制电压u cd 和u cq 的影响外，还受交叉耦合电压gq g i L ω、gd g i L ω-以及电网电压u gd 的影响。

交叉耦合电压的存在以及电网电压的扰动都不利于d 、q 轴电流的解耦控制。

因此，除了对d 、q 轴电流进行闭环PI 控制外，d 、q 轴控制电压中还应该加入交叉耦合电压补偿项和电网电压补偿项。

这样不但可以实现d 、q 轴电流的独立控制，而且还有利于提高系统的动态控制性能。

电网侧变换器的d 、q 轴控制电压可表示为：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧∆+-+--=∆+-+--=gq gq gq i i p gq g cq gd gd gd i i p gd g cd u i i s t s t k i R u u i i s t s t k i R u )(1)(1** (2-9) 其中，
⎩⎨⎧-=∆+=∆gd
g gq gd gq g gd i L u u i L u ωω (2-10) 其中，gd u ∆和gdq u ∆分别为实现电网侧电压，电流解耦控制的电压补偿项；k p 和t i 分别为PI 调节器的比例系数和积分时间常数。

u dc i gd gq gd g gd g
图2-4. 电网侧变换器电网电压定向控制原理框图
基于电网电压定向的电网侧变换器电压、电流双闭环矢量控制系统框图如图2-4所示。

外环为直流侧电压控制，直流侧电压给定值u dc *和反馈电压u dc 相比 电流参考值i gq *根据系统无功要求设定。

将采样得到的电网三相电流经坐标变换后，即可得到d 、q 轴的实际电流值i gd 、i gq 。

i gd *、i gq *分别与i gd 、i gq 相比较，经电流PI 调节器后的输出分别加上d 、q 轴对应的电压补偿项gd u ∆和gq u ∆，就可得到电网侧变换器的d 、q 轴控制电压u cd 和u cq 。

三、 实验内容与步骤
1. 实验准备
参考实验1中完成实验开始前的准备工作。

2. 实验内容与步骤
1） 将系统线路按照要求连接好，确认无误，后启动电源。

2）依次按下永磁直驱风力发电系统网侧换流器的触摸屏中“运行”按钮，设置直流母线电压为600V ，等待直流母线电压上升至600V ，然后进行下面的操作。

3）打开“风力机模拟器”，即异步电机控制器，按下“启动”按钮。

然后通过“风速调节”按钮设定模拟风机的实时风速为3m/s ，然后点击“确定”，机组开始转动，电机运行信号灯点亮，经过短暂调节后机组转速保持在1000rpm 左右（观察控制器界面中“直流电动机运行参数”列表中的“机组转速”）。

观测并记录此时的发电机定子相电压Us1、电网相电压Ug1的数据。

4）并网实验：点击变流器柜中机侧变流器上的“并网”键，液晶屏显示“并网状态：并网”。

此时，发电机定子侧与电网相连接的交流接触器闭合，屏上其开关状态指示红灯点亮，此时已实现了空载并网。

○
1观测并记录并网瞬间的发电机定子电压Us1、电流Is1的波形，观察有无冲击电流。

○2待转速稳定在1000rpm左右时，观测并记录此时的发电机定子电压Us1、转子电流Ir1的波形。

5）实验结束，点击变流器柜中机侧变流器上的“并网”键，触摸屏显示“离网”，经短暂延时，发电机定子侧与电网相连接的交流接触器断开，屏上接触器状态指示红灯灭同时绿灯点亮，发电机定子侧与电网断开，机侧变流器液晶屏显示“停止”。

在触摸屏“风力机模拟运行”软件界面上点击“停止”按钮，机组停止转动，再将三相调压器调到零，经短暂延时，网侧变流器回路的接触器断开，其状态指示红灯灭同时绿灯点亮，最后依次按起风力机模拟柜中直流调速器控制单元的“启动/停车”和“允许运行”按钮，并按照正确顺序关闭各电源。

四、注意事项
1.请仔细阅读使用说明书，设备工作时带有强电，操作应谨慎小心，严禁违反实验规定进行操作，设备上电后即使工作正常，也应该有人在现场进行监管；
2.做实验前确保接线正确；
3.做实验时变流器外部的接线端子带电，不要用手直接去接触；
4.实验结束后，确保调压器调到0，注意直流母线上电容放电完成。

五、思考题
发电机并网需要满足那些条件？
六、实验报告
1.简述发电机并网控制原理。

2.分别记录并网前运行状态为停止、启动时定子与电网A相电压波形。

3.分别记录并网后定子与转子A相电流波形。

实验三永磁同步风力发电机自由并网实验
实验四、永磁同步风力发电机输出电性能测试实验
一、实验目的
1.了解电的性能指标；
2.了解影响永磁同步风力发电机输出电性能的因素。

二、实验原理
电能质量即电力系统中电能的质量。

理想的电能应该是完美对称的正弦波。

一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。

电能质量从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。

从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。

电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

在三相交流系统中，理想的各相电压和电流的幅值大小相等且相位互差120°。

但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的的非线性和不对称性，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的含义。

针对于本实验的输出电性能测试，通过电量监测仪监测永磁同步发电机发出的电流总谐波畸变率THD值，电压总谐波畸变率THD值及功率因数PF值。

三、实验内容与步骤
1.实验准备
参考实验一中的3.1完成实验开始前的准备工作。

2.实验内容及步骤
1)将示波器两探头分别接在机侧变流器面板上的定子电压Ug1和定子电流Is1的观测孔上。

2)将系统线路按照要求连接好，确认无误，后启动电源。

3)依次按下永磁直驱风力发电系统网侧换流器的触摸屏中“运行”按钮，设置直流母线电压为600V，等待直流母线电压上升至600V，然后进行下面的操作。

4)依次按下风力机模拟柜中异步交流调速器控制单元的“运行”按钮。

5)进入异步交流调速器控制单元的设置界面，设置“风速调节”按钮设定实时风速为3m/s，点击“启动”按钮，机组开始转动，“风力机启动”信号光字牌点亮，待机组转速稳定到1000rpm左右时，按下机侧变流器上的“启/停”键，机侧变流器开始工作，触摸屏显示“运行状态：启动”，发电机定子侧输出电压。

6)当发电机转速稳定在1000rpm左右时，按下机侧变流器上的“并网”键，触摸屏显示“并网”，此时发电机定子侧与电网相连接的交流接触器闭合，屏上开关状态指示红灯点亮，此时已实现了空载并网。

7)当发电机转速稳定在1000rpm左右时，点击触摸屏中的速度调节按钮并逐渐增大实时风速给定，当给定风速分别为7.5m/s、10m/s、12m/s时，通过电量监测仪查看发电机定子侧的电量参数，也可以在上位机软件“定子侧电量监测”界面中观察定子侧电流、电压谐
波含量的柱状图，并记录数据于表4-1中，观察并记录发电机定子电压Us1和发电机定子电流Is1的波形。

8)实验结束后，先将控制显示器中的实时风速给定缓慢减到3m/s，待机组转速稳定后点击“停止”按钮，当机组转速稳定在1000rpm时，点击变流器柜中机侧变流器上的“并网”键，触摸屏显示“离网”，经短暂延时，发电机定子侧与电网断开，屏上其开关状态指示红灯灭同时绿灯点亮，机侧变流器的触摸屏显示“停止”。

点击触摸屏控制界面上的“停止”按钮，机组逐渐停止转动，再将三相调压器调到零，经短暂延时，网侧变流器回路的接触器断开，其开关状态指示红灯灭同时绿灯点亮，最后依次按起风力机模拟柜中直流调速器控制单元的“停止”按钮，并按照正确顺序关闭各电源。

四、注意事项
1．请仔细阅读使用说明书，设备工作时带有强电，操作应谨慎小心，严禁违反实验规定进行操作，设备上电后即使工作正常，也应该有人在现场进行监管；
2．开始做实验前确保接线正确，三相自耦调压器原边、副边注意不要插错；
3．做实验时变流器外部的接线端子都带电，不要用手去接触；
4．实验结束后，确保调压器调到0，直流母线上电容放电完成；
五、思考题
分析为什么随着风速的增大，功率因数会提高，电流畸变率会降低。

六、实验报告
1．简述电能质量指标主要有哪些；
2．记录不同风速下，即不同功率下电流波形、功率因数和谐波畸变率，分析产生如此结果的原因。

实验5 永磁同步风力发电机最大功率跟踪实验
一、实验目的
1． 了解永磁风力发电最大功率点跟踪的原理；
2． 了解永磁风力发电最大功率点跟踪的实现方法。

二、 实验原理
1. 风力机最大风能捕获的运行原理
根据贝兹理论，风力机产生的机械功率为：
()32,5.0v C R P p m βλρπ= （5-1）
式中，ρ为空气密度；R 为风力机风轮半径；p C 为风能转换系数；v 为风速。

实际上，p C 就是风力机将风能转换为机械能的效率，它是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。

可见，在风速一定的情况下，发电机获得的输入机械功率大小将只取决于风能转换系数。

如果采用调节桨叶节距角β的方法调节风力机的运行，则属于机械调节。

一般对于采用电气调节而言，桨叶节距角β为常数。

因此，p C 只是λ的函数，他们之间的关系曲线是风力机的基本特征之一。

叶尖速比λ是风轮叶尖线速度与风速之比的函数，如下
v Rn
v R
m 30πωλ== （5-2）
式中，m ω为风轮旋转的机械角速度，单位s rad /；n 为风轮转速rpm 。

在β一定时，典型的p C 与λ之间的关系曲线示意图如图5-1所示。

图5-1 风力机叶尖速比和风能转换系数之间的关系曲线 对于一台确定的风力机，在风速和桨叶节距角一定时，总存在一个最佳叶尖速比opt λ对应着一个最大的风能转换系数m ax p C ，此时风力机的能量转换效率最高。

由式（5-2）亦可以得出，对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的机械角速度下，风力机才会获得最大的能量转换效率。

风力机的叶片有定桨距和变桨距两种形式。

对于定桨距的风力机，除了采用可控制的变速运行外，一般在额定风速以下恒速运行时，P C 常常会偏离其最佳值，使输出功率有所降低，而超过额定风速后，则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。

对于变桨距的风力机，通过调节桨距可使p C 在额定风速以下最大限度地接近最佳值，从而捕获到最大的风能以得到较多的能量输出，超过额定风速以后，通过改变桨距减小p C 值，使输出功率保持在其额定值上。

所以，为获得最大的风能利用，实际运行时最好通过调节桨
距来保证风力机运行在最大功率曲线上。

因此，在任何风速下，只要调节风力机转速，使其叶尖线速度与风速之比λ满足opt λλ=，就可以维持风力机在m ax p C 下运行，这就是风力机最大风能捕获的运行原理。

对风力发电机系统而言，输入机械转矩特性相当重要，与之相对应的是风力机的输出机械功率和转速的关系曲线。

设定一种风速，然后取不同的转速计算出相应的λ，由图5-1查出对应的p C 值，代入式（5-1），即可得到该风速下，风力机输出机械功率和转速的关系曲线。

设定不同的风速，重复上面的过程，就可以得到风力机在不同风速下风力机输出机械功率和转速的关系，这就是风力机输出机械功率特性曲线。

图3-2所示，即为一组在不同风速()321v v v <<下风力机的输出机械功率特性曲线。

图5-2 风力机输出机械功率和机械角速度之间的关系曲线 由图５-2可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随风轮转速变化而变化，每一种风速下都存在一个最大输出功率点，对应于最大的风能转换系数m ax p C 。

将各个风速下的最大输出功率点连接起来，就可以得到风力机输出机械功率的最佳曲线mopt P 。

要使风力机运行在这条曲线上，必须在风速变化时及时调节转速，以保持最佳叶尖速比，风力机将会获得最大风能捕获，有最大机械功率输出。

3m opt mopt k P ω= （5-3） 式中，3max
55.0opt p opt C R k λπ=
2. 最大风能捕获实现方法
实现最大风能捕获控制，根据风力机最优功率曲线和风力机转速Ws 来实时计算发电机定子发出的有功功率指令*
P ，即通过控制PMSG 输出有功功率，控制PMSG 的电磁阻转矩来实现最佳转速控制以达到最大功率追踪的目的。

其控制框图见图５-3。