开放式双馈风力发电模拟实验系统
随着新能源发电的快速发展，诸多高校开设了新能源发电相关专业，风力发电技术作为一门主要的课程，其配套实验设备对课程的支撑至关重要。双馈风力发电作为风力发电的一种主要类型，从实验角度，理解、掌握、研究其发电理论、运行特点对风力发电课程起到积极的促进作用。
但是由于客观条件的原因，大多数实验室并不具备风场环境或风力机，这为风力发电技术的教学与研究实验带来了很大的困难。清华大学电机工程与应用电子技术系电力电子与电机控制实验室研制了开放式双馈风力发电模拟实验系统，用于风力发电的教学与研究实验。
此双馈风力发电模拟系统具有以下特点：通过一台变频调速三相异步电动机驱动一台三相双馈异步发电机，用计算机控制变频器实现三相异步电机的转速与转矩调节，模拟风速变化与风力机输出特性;设计完善的软硬件结构与保护功能，采用DSP控制的双PWM变流器完成并网发电过程;设计了基于LabView的上位机监控系统，实时监控系统运行参数，并可以分步执行整个起机与并网过程。各部分具体功能与作用如下。
1.双馈风力发电模拟机组
通过异步电机驱动双馈发电机，模拟实际的双馈风力发电机组。异步电动机用来模拟风力机，双馈发电机端装有位置传感器。异步电动机和双馈发电机安装在同一个可移动底座上，使用联轴器相连接，采用增量式编码器测量发电机实时转速。
2.风力机模拟
本装置利用上位机控制基于直接转矩控制的变频器，驱动异步电动机，模拟风力机输出特性。风速模型是风力机模拟系统中一个重要组成部分。本实验设备采用组合风速模型，将风速分为基本风速、阵风和随机风速四部分，分别表述自然风的规律性、突变性和随机性特点。通过上位机设定风速参数和风力机参数，根据一定风速下风力机转速与转矩或功率的关系以及机械运动方程，计算出风力机输出转矩，将此转矩指令通过485通讯下发给变频器，驱动异步电动机运行模拟风力机。
3.双馈风力发电并网变流器
研制了基于DSP2812的双PWM变换器，用于双馈风力发电机的并网控制。机侧和网侧PWM变换器可以根据需要工作在整流状态或逆变状态，能量可以双向流动，这对于双馈风力发电系统是必需的，定子侧电流、转子侧电流和网侧变流器侧电流的大小和功率因数都是可调的，整个双PWM变换器可以工作在四象限状态。
在具体运行中，两个PWM变换器根据控制算法的不同其功能也不同。机侧变流器采用矢量控制策略，通过在双馈电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电流的幅值、频率实现发电系统的顺利并网和有功、无功输出控制，实现最大风能捕获。网侧PWM变换器采用电网电压矢量定向，通过调节网侧的d、q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态，也可根据电网需要提供一定的无功功率。
4.上位机监控
上位机监控包括参数显示、界面切换按钮、功能操作按钮、数据保存和通讯部分。通过上位机可操控变频器、网侧变流器通和机侧变流器，实现双馈风力发电机并网运行。变流器合闸、断闸、启动网侧、启动风机、励磁、并网、脱网等状态通过动态的显示于监控画面上，具有实时效果;各种状态执行条件进行自动监测并显示，使用户明确系统当前运行状态;故障时，显示故障名称，便于用户寻找故障并及时解决。
5.实验内容
此双馈风力发电模拟设备可完成如下验证实验：实验一、风力发电机接线形式实验;实验二、空载运转实验; 实验三、并网过程实验(结合并网模块);实验四、并网连续运行实验(结合并网模块);实验五、风速模拟实验;实验六、转距模拟实验;实验七、发电功率模拟实验;实验八、其它相关发电性能及测量;实验九、 脱网保护模拟实验;实验十、低电压穿越实验。
基于开放的软硬件平台，此双馈风力发电模拟设备还可以完成自主与研究型实验：实验一、正常状态下并网变流器控制策略;实验二、电网不平衡状态下并网电流器控制策略;实验三、低电压穿越控制策略;实验四、最大功率跟踪。
6.实验设备系列化
目前实验室已自制3kW、5kW、7.5kW、10kW、15kW、30kW等功率等级的系列化双馈风力发电模拟系统，用于满足不同的教学和科研需求。
此风力发电模拟实验系统所有资源开放，紧密结合学科和产业发展前沿，可提供验证型、综合型、研究型的实验内容，有利于激发学生的创造性和研究兴趣。
作品名称：开放式双馈风力发电模拟实验系统
学校或单位：清华大学
