全球能源轉(zhuǎn)型中，傳統(tǒng)雙饋式風(fēng)電因齒輪箱損耗大、維護(hù)成本高，難以滿足高效需求。直驅(qū)式技術(shù)以無(wú)齒輪箱設(shè)計(jì)降損提效，尤其適用于海上風(fēng)電、高海拔等場(chǎng)景。

本篇中我們基于 EasyGo 實(shí)時(shí)仿真器EGBox Mini，對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)與離線仿真對(duì)比，可以看到EasyGo 實(shí)時(shí)仿真設(shè)備具備良好的仿真效果，在實(shí)際科研/教學(xué)中可以替代真實(shí)設(shè)備進(jìn)行永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了 Easygo 仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性與可靠性，可為企業(yè)/實(shí)驗(yàn)室提供高效、安全的測(cè)試平臺(tái)。

一、直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、變槳機(jī)構(gòu)、機(jī)艙、塔筒、偏航機(jī)構(gòu)、永磁同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、變流器、風(fēng)機(jī)總控系統(tǒng)等。

基于背靠背換流器的永磁全功率風(fēng)機(jī)是目前常用的主流機(jī)型，采用雙 PWM 變流器系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。

系統(tǒng)主要由機(jī)側(cè)整流器，直流側(cè)電容、網(wǎng)側(cè)逆變器三部分組成，通過(guò)電路可實(shí)現(xiàn)將頻率和幅值變化的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和幅值符合并網(wǎng)要求的電能送入電網(wǎng)。

直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制分為網(wǎng)側(cè)換流器控制和電機(jī)側(cè)換流器控制，采用基于 dq 解耦的雙閉環(huán)控制，控制外環(huán)為直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為對(duì)應(yīng) dq 軸電流環(huán)，控制框圖如下圖所示。

外環(huán)逆變側(cè)直流電壓與給定直流電壓進(jìn)行比較，誤差經(jīng)過(guò) PI，作為內(nèi)環(huán) d 軸電流環(huán)參考值 id_ref；id_ref 與 d 軸電流實(shí)際值id進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò) PI，得到 Ud；電流環(huán) q 軸參考值 iq_ref 與實(shí)際值 iq 進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò) PI，得到 Uq。同時(shí)，為使并網(wǎng)效率最高，一般 iq_ref 給定為0。

風(fēng)機(jī)電機(jī)側(cè)控制根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，可以分解到 dq 坐標(biāo)系下進(jìn)行控制。通過(guò) dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流 iq (有功)和勵(lì)磁電流 id (無(wú)功)的解耦控制。在實(shí)際控制中一般將 id 的參考值設(shè)置為0。iq 的參考值由控制外環(huán)經(jīng)過(guò) PI 得到，外環(huán)的參考值一般是由上級(jí)主控制器給出（仿真中直接人為設(shè)定）。

系統(tǒng)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

二、離線仿真

本次實(shí)驗(yàn)中直驅(qū)風(fēng)機(jī)通過(guò)背靠背變流器接到交流電網(wǎng)，交流電網(wǎng)為 690V，與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器相連，整體模型如下圖所示。

實(shí)際風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，這里我們省去機(jī)械傳動(dòng)部分，只進(jìn)行變流器的控制部分仿真，具體系統(tǒng)參數(shù)如下：

電網(wǎng)側(cè)換流器采用雙閉環(huán)控制，具體控制部分模型如下：

電機(jī)側(cè)換流器采用轉(zhuǎn)矩外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的控制，通過(guò)修改給定轉(zhuǎn)矩的方式便可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率的變化。

運(yùn)行模型。0.01s 啟動(dòng)整流控制，0.05s 啟動(dòng)逆變控制，逆變器啟動(dòng)后開(kāi)始加轉(zhuǎn)矩，初始轉(zhuǎn)矩設(shè)定16，1s 時(shí)變?yōu)?4。

為驗(yàn)證風(fēng)機(jī)并網(wǎng)整體控制性能，直流側(cè)給定值為1100V，轉(zhuǎn)速開(kāi)始時(shí)給定為1000，1s 時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?000。運(yùn)行得到仿真結(jié)果如下所示：

從波形可以看出：在整流和逆變控制啟動(dòng)后，Vdc 在短時(shí)間被控制到設(shè)定值1100V，有功功率和無(wú)功功率也都穩(wěn)定在設(shè)定值。在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的設(shè)定值變化后，系統(tǒng)也能快速跟隨變化。

三、EasyGo 實(shí)時(shí)仿真

EGBox Mini產(chǎn)品系列是基于CPU+FPGA 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)的一體式緊湊型實(shí)時(shí)仿真產(chǎn)品，屬于EGBox 系列實(shí)時(shí)仿真器的入門級(jí)產(chǎn)品。其不同型號(hào)可完成硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)（HIL）或者快速控制原型系統(tǒng)（RCP）。將控制模型和拓?fù)淠Ｐ头謩e通過(guò)仿真上位機(jī)部署進(jìn)兩個(gè)實(shí)時(shí)仿真器（EGBox Mini），整體架構(gòu)如下圖所示：

當(dāng)轉(zhuǎn)速（speed) 設(shè)定值為1000 r/min，直流電壓 (Vdc_ref) 設(shè)定值1100V，轉(zhuǎn)矩 (Tm_ref) 設(shè)定值16 N/m時(shí)，實(shí)時(shí)波形如下圖所示：

可以觀察到：在開(kāi)啟逆變整流控制后，Vdc 在短時(shí)間被控制到設(shè)定值1100V，系統(tǒng)也能快速跟隨變化并保持穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速由1000 r/min調(diào)整為1500 r/min時(shí)，有功功率 P 跟隨變化并保持穩(wěn)定。

EasyGo 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)基于 Matlab/Simulink 的實(shí)現(xiàn)方式具有上手快、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在完成端口配置的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)免培訓(xùn)操作，這里就不過(guò)多贅述。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真就分享到這里了，歡迎感興趣的工程師們留言溝通。