張鳳鴿，陸繼明，易長(zhǎng)松，2，楊德先

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；2.武漢華大電力自動(dòng)技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

張鳳鴿1，陸繼明1，易長(zhǎng)松1，2，楊德先1

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；2.武漢華大電力自動(dòng)技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

風(fēng)能是目前發(fā)展最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源之一。開發(fā)一種在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)研究和教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是非常必要的。該文分析研究了多種風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)特性，提出了一種適合科研和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的物理模型，研制了一套10 kW模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以與電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)相連接，還可以接入到全國(guó)高校廣泛應(yīng)用的WDT－III電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與風(fēng)機(jī)的理論特性相吻合，可用于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在全國(guó)10多所科研院所和大專院校得到了應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)模擬；雙饋發(fā)電機(jī)；風(fēng)力機(jī)；SPWM變換器；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電是一門新興學(xué)科，發(fā)展空間巨大，應(yīng)用前景廣闊。未來(lái)我國(guó)需要一大批從事風(fēng)電行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人才。目前風(fēng)電產(chǎn)業(yè)專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重不足，急需培養(yǎng)大量的在技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)制造、建設(shè)運(yùn)維等方面具有專業(yè)技能和知識(shí)的人才，人才培養(yǎng)任重而道遠(yuǎn)。為適應(yīng)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展需求，國(guó)家和社會(huì)要重視，高校和企業(yè)要行動(dòng)，各方面都應(yīng)積極努力進(jìn)行風(fēng)電專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，因?yàn)槿瞬攀秋L(fēng)電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，是中國(guó)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的基石［1］。

大多數(shù)科研單位的實(shí)驗(yàn)室都不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，也沒有風(fēng)力機(jī)設(shè)備，這對(duì)一些新理論和新技術(shù)的驗(yàn)證帶來(lái)了困難；因此，為教學(xué)和科研單位研發(fā)一套能在實(shí)驗(yàn)室中模擬風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)力機(jī)特性的模擬風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常必要的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能極大地簡(jiǎn)化風(fēng)電技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效率，縮短風(fēng)電新技術(shù)、新方法的研究周期［2－4］。

1 風(fēng)速特性分析與仿真

在一定的時(shí)空范圍內(nèi)，風(fēng)速是不斷變化的且具有隨機(jī)性。為了能夠模擬出風(fēng)速的這一特性，精確地再現(xiàn)風(fēng)能所具有的間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，滿足不同的研究需求，常采用4種典型的風(fēng)速描述模型對(duì)風(fēng)速進(jìn)行分析，即基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。

1.1 基本風(fēng)

基本風(fēng)在一定程度上反映了風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中它一直存在。基本風(fēng)也決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的額定功率的大小。

風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得的韋布爾分布參數(shù)可近似地確定基本風(fēng)風(fēng)速模型：

式中：VWB為基本風(fēng)速，單位為m／s；A為韋布爾分布的尺度參數(shù)；Γ為伽馬函數(shù)；k為韋布爾分布的形狀參數(shù)。

1.2 陣風(fēng)

除隨機(jī)性外，在自然狀態(tài)下風(fēng)速還具有突然變化的特性。對(duì)于風(fēng)速的這一特性可用陣風(fēng)模型來(lái)進(jìn)行描述，在特定的時(shí)間段內(nèi)（TSG＜T＜TEG）風(fēng)速具有余弦特性。在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析中，尤其是在分析研究風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響時(shí)，通常用陣風(fēng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)在風(fēng)速突然存在較大變化情況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行考核。陣風(fēng)數(shù)學(xué)模型能夠比較精確地描述出風(fēng)速突然變化的特性。

式中，VWG為陣風(fēng)風(fēng)速，GMAX為陣風(fēng)最大值，TG為陣風(fēng)周期，TSG為陣風(fēng)起始時(shí)間，TEG為陣風(fēng)停止時(shí)間。

1.3 漸變風(fēng)

風(fēng)速的漸變特性可用漸變風(fēng)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，它可以反映出風(fēng)速在一定的時(shí)間段內(nèi)（TSR＜T＜TER）所表現(xiàn)出的線性變化的特性，它是在基本風(fēng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上乘一個(gè)比例系數(shù)AR，相當(dāng)于在基本風(fēng)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)分量VWR，VWR就代表漸變風(fēng)分量。

式中，AR值取3 m／s，TSR為漸變風(fēng)起始時(shí)間，TER為漸變風(fēng)停止時(shí)間。

1.4 噪聲風(fēng)（隨機(jī)風(fēng)）

風(fēng)速變化的隨機(jī)性可用噪聲風(fēng)數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述，該數(shù)學(xué)模型可以反映出在一定的高度上風(fēng)速變化所具有的隨機(jī)性特點(diǎn)。

式中，VWN為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速；VN為隨機(jī)分量的最大值；Ram（－1，1）為隨機(jī)函數(shù)的隨機(jī)數(shù)，其值在－1～＋1之間均勻分布；wv指風(fēng)速變化的平均間距，其值一般取0.5π～2π；φv為隨機(jī)變量，其值在0～2π之間均勻分布。

1.5 組合風(fēng)

組合風(fēng)數(shù)學(xué)模型包含了以上所述的四種風(fēng)速成分，可以較全面地模擬作用在風(fēng)力機(jī)上自然狀態(tài)下的實(shí)際風(fēng)速：

表1 模擬風(fēng)速的設(shè)定參數(shù)

按照表1參數(shù)對(duì)模擬風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行設(shè)置，模擬出風(fēng)速曲線如圖1所示。從模擬風(fēng)速曲線圖中可以看出，在0～5 s時(shí)間段內(nèi)起作用的主要是基本風(fēng)，在5～7 s時(shí)間段內(nèi)起作用的主要是陣風(fēng)，在7～16 s時(shí)間段內(nèi)起作用的主要是漸變風(fēng)，這里的漸變風(fēng)采用的是“漸變上升—維持—漸變下降”的典型波形，隨機(jī)風(fēng)作用于風(fēng)速變化的整個(gè)過(guò)程。

圖1 組合風(fēng)的時(shí)間曲線

1.6 風(fēng)速模型的應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)速的仿真分為以下4種情況。

1）基本風(fēng)和噪聲風(fēng)的組合，它適合在正常工作情況和關(guān)停機(jī)情況下使用；

2）基本風(fēng)和陣風(fēng)的組合，它適于研究風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)陣風(fēng)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性；

3）基本風(fēng)和漸變風(fēng)的組合，它一般用于暫態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析等情況；

4）基本風(fēng)、噪聲風(fēng)、漸變風(fēng)和陣風(fēng)按一定比例疊加在一起進(jìn)行仿真，可用它來(lái)仿真實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的自然風(fēng)［5］。

2 風(fēng)力機(jī)特性及模擬

風(fēng)力機(jī)的特性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）輸入風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)輸出功率的關(guān)系；2）輸入風(fēng)速與轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩特性的關(guān)系。

2.1 風(fēng)力機(jī)的輸入、輸出功率

可以根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)列出描述風(fēng)機(jī)輸入功率與風(fēng)速關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，PV為風(fēng)機(jī)的輸入功率，ρ為空氣密度，A為風(fēng)機(jī)葉片掃掠面積，v為風(fēng)速，RW為風(fēng)機(jī)葉片半徑。

風(fēng)機(jī)輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

從式（7）可以看出，風(fēng)機(jī)的輸出功率等于風(fēng)機(jī)的輸入功率乘以一個(gè)效率系數(shù)即風(fēng)能利用系數(shù)。

2.2風(fēng)能利用系數(shù)Cp

1）風(fēng)能利用系數(shù)Cp的定義

Cp的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Cp表征了風(fēng)力機(jī)在將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率，從式（8）可以看出，Cp在數(shù)值等于風(fēng)力機(jī)輸出功率與輸入功率之比。風(fēng)速、葉片直徑、葉片轉(zhuǎn)速及槳葉節(jié)距角都影響著Cp值的大小。風(fēng)機(jī)的輸出功率也是槳葉節(jié)距角和葉尖速比的函數(shù)。

葉尖速比λ的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：ωW為風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)角速度，nW為葉片的轉(zhuǎn)速，λ等于風(fēng)輪葉尖速度除以風(fēng)速。對(duì)式（9）進(jìn)行推導(dǎo)，得風(fēng)速的表達(dá)式并代入式（7）中，則得到風(fēng)力機(jī)輸出功率的另外一種表達(dá)式為：

2）風(fēng)能利用系數(shù)Cp的曲線

風(fēng)力機(jī)分為定槳距型和變槳距型兩種類型。

變槳距型風(fēng)機(jī)的特性是一族Cp（λ）曲線。在槳葉節(jié)距角β值固定時(shí)，Cp的值只是葉尖速比λ的函數(shù)，其特性曲線如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)是葉尖速比λ，縱坐標(biāo)是風(fēng)能利用系數(shù)Cp。在槳葉距角β不固定時(shí)，Cp（λ）曲線值隨著槳葉距角的增加而明顯變小，如圖3所示。

圖2 葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系曲線（槳距角固定）

圖3 風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的曲線

3）考慮槳距角β的風(fēng)能利用系數(shù)Cp（λ，β）的典型計(jì)算公式為：

由圖2和圖3可以看出，一臺(tái)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，在保持風(fēng)速和槳距角不變的情況下，根據(jù)Cp－λ曲線，存在一個(gè)Cpmax使風(fēng)機(jī)的輸出功率達(dá)到最大值。所以在一定風(fēng)速下，可以通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的葉尖速比工作在最優(yōu)狀態(tài)，從而使風(fēng)力機(jī)最大限度地利用風(fēng)能［6］。

2.3 風(fēng)力機(jī)特性模擬

風(fēng)力機(jī)特性模擬原理框圖如圖4所示，主要有以下5個(gè)步驟。

1）根據(jù)給定風(fēng)速v（由風(fēng)速模型的輸出給定）和實(shí)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ω，按式（9）計(jì)算葉尖速比λ，其中Rw為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑，是已知常數(shù)。

2）當(dāng)風(fēng)速維持在額定時(shí)，風(fēng)機(jī)一般為定漿距運(yùn)行，槳距角β＝0，此時(shí)可根據(jù)Cp－λ曲線，確定風(fēng)機(jī)在某一葉尖速比λ下的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的值。如果風(fēng)速大于額定風(fēng)速，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)漿距角來(lái)改變Cp的值，從而使風(fēng)機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。因此即使風(fēng)速大于額定風(fēng)速也可控制風(fēng)機(jī)輸出功率等于額定功率，跳到步驟4）。

3）已知v和Cp，可根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式（7）算出風(fēng)機(jī)輸出功率P。

4）已知風(fēng)機(jī)的輸出功率P及實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω，可根據(jù)功率計(jì)算公式“功率＝轉(zhuǎn)速×轉(zhuǎn)矩”，算出轉(zhuǎn)矩T。

5）勵(lì)磁方式為他勵(lì)方式下的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T和電樞電流Ia是成正比的，因此轉(zhuǎn)矩在一定程度上可與電樞電流進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)電樞電流可達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的模擬。

圖4 風(fēng)力機(jī)特性模擬原理框圖

風(fēng)力機(jī)模擬器不僅能模擬不同特性的風(fēng)力機(jī)，而且模擬風(fēng)速的曲線可自由設(shè)定；它不依賴于實(shí)際風(fēng)力機(jī)裝置和風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，但又能真實(shí)地模擬風(fēng)力機(jī)特性。該風(fēng)力機(jī)特性模擬裝置的應(yīng)用不僅十分有利于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索，也為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的研制和測(cè)試提供了一個(gè)便捷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

風(fēng)力機(jī)特性的模擬可以簡(jiǎn)述為：首先根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩，然后根據(jù)此轉(zhuǎn)矩指令來(lái)控制執(zhí)行電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)特性。執(zhí)行電機(jī)通常采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)［7］。由于直流電動(dòng)機(jī)具有易于控制且控制性能好的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用15 kW直流電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)力機(jī)特性模擬系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。

3 模型系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。雙饋發(fā)電機(jī)的定子直接與工頻電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子則通過(guò)能量可以雙向流動(dòng)的背靠背雙SPWM變換器組成的交直交系統(tǒng)和電網(wǎng)相連。

圖5 模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電網(wǎng)側(cè)變換器（頻率45～55 Hz，容量6 kVA）的交流端通過(guò)勵(lì)磁變壓器與電網(wǎng)相連，直流側(cè)則與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的直流側(cè)并聯(lián)。電網(wǎng)側(cè)變換器采用PQ解耦控制策略，可實(shí)現(xiàn)變換器交流側(cè)的PQ四象限運(yùn)行［8］，在轉(zhuǎn)子亞同步速運(yùn)行時(shí)向轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁功率和轉(zhuǎn)差功率，在轉(zhuǎn)子超同步速運(yùn)行時(shí)，將轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)差功率傳送到電網(wǎng)；根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的需求與電網(wǎng)交換無(wú)功功率，但通常為降低變換器容量而運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。其工作原理：頻率跟蹤網(wǎng)頻，相序自動(dòng)辨識(shí)自動(dòng)適應(yīng)；SPWM的變頻控制采用恒定載波比改變載波周期的方式調(diào)頻，查表獲得每個(gè)載波周期中的正弦脈沖寬度值［9］。采用與電網(wǎng)電壓同步，改變調(diào)制波相對(duì)電網(wǎng)電壓相位的方法進(jìn)行調(diào)相，以改變有功功率傳送方向和大小，使直流電壓穩(wěn)定在給定水平上。

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（頻率＋15～－10 Hz，容量6 kVA）的直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)并聯(lián)，其交流側(cè)與雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相連。主要任務(wù)是為雙饋發(fā)電機(jī)提供合適幅值和頻率的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的穩(wěn)定控制、負(fù)責(zé)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間無(wú)功功率的合理分配，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能功率追蹤等。其工作原理：并網(wǎng)前根據(jù)網(wǎng)頻和轉(zhuǎn)速自動(dòng)確定勵(lì)磁電流頻率和相序，跟蹤并網(wǎng)相位，跟蹤電網(wǎng)電壓幅值，為準(zhǔn)同步并網(wǎng)創(chuàng)造條件；并網(wǎng)后維持勵(lì)磁電流頻率不變，或由人工調(diào)節(jié)，或由最大功率追蹤功能軟件自動(dòng)調(diào)整；定電壓（定電流）控制時(shí)，根據(jù)電壓（電流）偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出勵(lì)磁電流的大小，以維持機(jī)端電壓（勵(lì)磁電流）在給定水平上。采用恒定載波周期改變調(diào)制波頻率的方式調(diào)頻［10］。

轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采用10位絕對(duì)式光電編碼器，以獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置信號(hào)，這樣控制系統(tǒng)才能進(jìn)行一系列的坐標(biāo)變換，確定轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)矢量控制，保證輸出電能恒頻恒壓。準(zhǔn)確、可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是高性能變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。

4 平臺(tái)功能及試驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由風(fēng)力機(jī)模擬控制屏、雙饋風(fēng)機(jī)勵(lì)磁控制屏、機(jī)組平臺(tái)（15 kW他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)＋10 kW繞線式異步電機(jī)＋機(jī)組鐵板底座）組成并配有上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.1 模擬風(fēng)力機(jī)及調(diào)速控制屏功能

在不同風(fēng)速下的功率—速度特性的模擬是由該屏實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)功率特性曲線的模擬。具有槳距角調(diào)節(jié)功能，發(fā)電系統(tǒng)的最大出力可根據(jù)后臺(tái)指令進(jìn)行調(diào)整。方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，可以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的研制和測(cè)試，驅(qū)動(dòng)功率為12 kW；轉(zhuǎn)速范圍為1 000～1 800 r／min。能完成以下功能：

1）實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)或由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出多項(xiàng)式公式；

2）4種風(fēng)速模式及其組合，即恒定風(fēng)速、漸變風(fēng)、陣風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)和組合風(fēng)。

4.2 雙饋風(fēng)機(jī)勵(lì)磁控制屏功能

在繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)接入背靠背雙SPWM變換器，可以獨(dú)立控制定子側(cè)的有功功率和無(wú)功功率。雙SPWM變換器容量均為6 kVA。能完成以下功能：

1）自動(dòng)判斷進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)或從電網(wǎng)退出；

2）雙饋發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)；

3）風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行，包括超同步和亞同步運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，以及兩種狀態(tài)的平滑過(guò)渡；

4）最大風(fēng)能追蹤（MPPT）的實(shí)現(xiàn)；

5）風(fēng)電系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。

4.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件功能

該軟件通過(guò)RS485接口和風(fēng)機(jī)控制器以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)監(jiān)視、控制等操作，以圖形化的形式反映風(fēng)電試驗(yàn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，方便實(shí)驗(yàn)人員更好地進(jìn)行風(fēng)電試驗(yàn)研究。能完成以下功能：

1）調(diào)速控制器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視；

2）試驗(yàn)錄波曲線讀取、繪制和保存；

3）改變風(fēng)機(jī)控制器運(yùn)行方式；

4）調(diào)速控制器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的增減速（磁）控制。

4.4 雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性試驗(yàn)波形

針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行雙饋風(fēng)機(jī)啟動(dòng)及并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、不同運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)故障暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、低電壓故障穿越能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并記錄各點(diǎn)故障暫態(tài)錄波。模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)甩100負(fù)荷波形圖如圖6所示。

圖6 模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)甩100負(fù)荷波形圖

5 教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和效果

教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：1）起勵(lì)試驗(yàn)；2）滅磁試驗(yàn)；3）給定電壓調(diào)節(jié)范圍與調(diào)節(jié)速度；4）空載階躍試驗(yàn)；5）運(yùn)行方式切換試驗(yàn)與穩(wěn)定運(yùn)行；6）變速恒頻試驗(yàn)；7）單機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)；8）轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流與機(jī)端電壓的關(guān)系試驗(yàn)；9）并網(wǎng)條件跟蹤試驗(yàn)；10）并網(wǎng)運(yùn)行與負(fù)荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)；11）并網(wǎng)狀態(tài)下的運(yùn)行方式切換試驗(yàn)；12）并網(wǎng)狀態(tài)下的階躍試驗(yàn)；13）電力系統(tǒng)短路試驗(yàn)；14）失步再同步功能試驗(yàn)；15）甩負(fù)荷試驗(yàn)等。

該平臺(tái)在華中科技大學(xué)電氣2011級(jí)的教學(xué)中開始了應(yīng)用，全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)就教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度、涵蓋的專業(yè)知識(shí)面以及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣、接受程度和滿意度5方面進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查總?cè)藬?shù)為89人，調(diào)查的結(jié)果如表2所示。

調(diào)查結(jié)果表明，我校所選的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容難易程度適中、涵蓋的電力專業(yè)知識(shí)較全面，大多數(shù)學(xué)生能從風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)地獲得專業(yè)知識(shí)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性，達(dá)到了電力專業(yè)教學(xué)的預(yù)期目的。

Development of the Simulated Doubly－Fed Wind Power System Experimental Platform

ZHANG Fengge1，LU Jiming1，YI Changsong1，2，YANG Dexian1
（1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Wuhan Huada Electric Auto Technique Company Limited，Wuhan 430074，China）

The wind energy is one of the fastest growing and most competitive new energy now，it's quite necessary to develop an experimental platform which can be used for the scientific research and teaching on wind power technology in the laboratory environment.This paper analyzes the characteristics of different wind velocities and wind turbines，proposes a physical model which fit the scientific research and teaching，developes a simulated doubly－fed wind power system experimental platform and the capacity of the model is 10kW，The platform can run independently or connect with the power system dynamic simulation system，and can be connected to the WDT－III power system comprehensive experimental teaching system which is widely used in the national universities.The experiment results show that the dynamic characteristic of the model is consistent with the theory characteristic of the wind turbine，and can be used for the research and teaching experiment，the experimental platform has been applied in more than ten scientific research institutions and colleges.

dynamic simulation；doubly－fed generator；wind turbine；SPWM convertor；experiment system

TK81

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.021

2015－06－07；修改日期：2015－08－09

華中科技大學(xué)2013年實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目（01－34－131010）

張鳳鴿（1980－），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)的科研和教學(xué)工作。