直驱永磁同步变速恒频风力发电系统实时仿真

在风力发电中，发电机与变流控制系统是保障机组高效稳定运行的关键。随着风电机组容量不断增大和海上风电的快速发展，直驱永磁同步变速恒频系统因其突出优势，正获得越来越广泛的应用。本篇中我们基于 EasyGo 实时仿真器 EGBox Mini，对直驱永磁同步变速恒频风力发电系统进行仿真实验。

一、直驱永磁同步变速恒频发电系统

直驱永磁同步发电系统是一种将风轮与多极低速永磁同步发电机直接耦合，无需齿轮箱的变速恒频风力发电技术。该系统因其高可靠性，特别适合应用于海上风电、恶劣环境以及大容量机组。

目前常见的直驱永磁同步发电机组主要采用全功率变流器拓扑，拓扑结构大体分为以下四种。

1、机侧不控整流，网侧PWM逆变

该电路拓扑结构如图。电机定子侧接三相二极管整流桥进行不控整流，直流侧采用电感和电容进行滤波，网侧为 PWM 逆变器，把整流后直流侧电能逆变成交流电，输入电网。

其显著缺点是发电机必须输出较高的电压以确保能量馈出，这抬高了器件耐压要求与成本。同时，由于机侧不可控，能量无法双向流动，难以实现最大功率点跟踪，且定子电流谐波大，导致电机损耗增加、效率降低。因此，该拓扑在实际中已很少采用。

2、机侧不控整流+Boost升压，网侧PWM逆变

该电路拓扑结构如图。能量经由不可控 AC/DC变流器到达直流侧，由于风速的变化，导致了直流侧电压的波动，采用升压变流器将 DC/AC变流器直流母线侧电压稳定控制，然后通过 DC/AC变流器逆变并入网。

其缺点是系统无法四象限运行；机侧不控整流导致电流谐波大，影响电机效率和性能；且在大功率场合，Boost升压电路的设计难度较高，运行限制较大。但这种电路结构的成本较低，因此在当前直驱风力发电工程中仍有较多应用。

3、机侧采用相控整流，网侧PWM逆变

该电路拓扑结构如图。该拓扑在电机定子侧使用晶闸管相控整流电路进行可控整流，后经网侧 PWM逆变器并网。

与上两种方式相比，它通过调节触发角控制导通，实现了机侧一定程度的可控性，能抑制电流、防止直流母线过压，且成本较低。然而，其机侧电流低次谐波较大的根本问题并未改善，因此在实际系统中很少被采用。

4、背靠背双PWW控制的功率变流器

该电路拓扑结构如图。该拓扑在机侧和网侧均采用全控型 PWM 变流器。

机侧 PWM 整流能大幅减少发电机定子电流谐波，显著降低铜耗和铁耗，并提供近乎正弦的电流波形。通过控制系统，可将风机发出的变频、变幅值电能高效转换为稳定的恒压恒频电能并网，实现精确的最大风能追踪。此方案技术先进、性能优越，是目前最主流且应用最广泛的拓扑结构。

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本篇中我们主要对“机侧不控整流+Boost升压拓扑”的直驱永磁风机并网拓扑进行仿真。该拓扑整体可分为机械部分、永磁同步发电机、不控整流电路、Boost 电路及 PWM 逆变并网电路。

其电路拓扑结构如下图所示：

机械部分通过调节桨距角，使风机在不同风速下捕获最大机械功率；不控整流电路将发电机输出的交流电转换为直流电；Boost 电路负责升压，并通过调节 IGBT 占空比实现最大功率点跟踪；PWM 逆变器则控制并网电流与电网电压同频同相，以实现高效并网。

二、离线仿真

本次实验中搭建基于机侧不控整流+Boost升压拓扑的直驱永磁风机并网模型如图所示。上方为主拓扑部分，下方为控制策略以及观测窗口，直驱永磁发电电机经整流、Boost电路升压、逆变后接入380V交流电网。

其中，Boost升压电路采用基于扰动观察法的最大功率点跟踪模式，通过比较前后功率变化来搜寻最佳工作点；并网逆变器采用电压电流双闭环控制，以实现稳定并网。

电机参数设置为：定子电阻 Rs = 0.01Ω，电枢电感 L = 0.835mH，磁链 Ψ = 0.57 Wb，极对数 P = 8。

并网控制外环为直流电压环和无功环，内环为电流环。直流电压给定值为500V，同时为使并网的功率因数最高，一般直接将无功电流参考值给定为0。

运行模型，给定风速为变化的风速，0-1s为13.5m/s，1-2s为14.6m/s，2-3s为15.5m/s，3-4s为14m/s。

0.05s时启动永磁同步电机控制，0.1s时启动逆变器控制。仿真结果如图：

从波形可知：风机启动后，并网点的功率和电流随风速变化，且并网逆变器直流侧电压在逆变器启动后稳定在 500V。

三、EasyGo 实时仿真

EGBox Mini 产品系列是基于 CPU+FPGA 硬件架构设计的一体式紧凑型实时仿真产品，属于EGBox 系列实时仿真器的入门级产品。其不同型号可完成硬件在环测试系统（HIL）或者快速控制原型系统（RCP）。将控制模型和拓扑模型分别通过仿真上位机部署进两个实时仿真器（EGBox Mini），整体架构如下图所示：

与离线模型一致，将直流电压设置为 500V，转矩设置为15N*m。启动永磁同步电机控制和逆变器控制。

可以观察到：并网逆变器直流侧电压在逆变器启动后稳定在 500V，与离线结果相同。

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