风力发电系统篇：永磁直驱并网实时仿真

全球能源转型中，传统双馈式风电因齿轮箱损耗大、维护成本高，难以满足高效需求。直驱式技术以无齿轮箱设计降损提效，尤其适用于海上风电、高海拔等场景。

本篇中我们基于 EasyGo 实时仿真器EGBox Mini，对永磁直驱风力发电系统进行仿真实验。通过与离线仿真对比，可以看到EasyGo 实时仿真设备具备良好的仿真效果，在实际科研/教学中可以替代真实设备进行永磁直驱风力发电系统的仿真模拟，进一步验证了 Easygo 仿真平台的准确性与可靠性，可为企业/实验室提供高效、安全的测试平台。

一、直驱式同步风力发电系统

直驱式同步风力发电系统主要包括风力机、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等。

基于背靠背换流器的永磁全功率风机是目前常用的主流机型，采用双 PWM 变流器系统典型拓扑结构如图所示。

系统主要由机侧整流器，直流侧电容、网侧逆变器三部分组成，通过电路可实现将频率和幅值变化的交流电转换成频率和幅值符合并网要求的电能送入电网。

直驱风机并网控制分为网侧换流器控制和电机侧换流器控制，采用基于 dq 解耦的双闭环控制，控制外环为直流电压环，内环为对应 dq 轴电流环，控制框图如下图所示。

外环逆变侧直流电压与给定直流电压进行比较，误差经过 PI，作为内环 d 轴电流环参考值 id_ref；id_ref 与 d 轴电流实际值id进行比较，经过 PI，得到 Ud；电流环 q 轴参考值 iq_ref 与实际值 iq 进行比较，经过 PI，得到 Uq。同时，为使并网效率最高，一般 iq_ref 给定为0。

风机电机侧控制根据转子磁场定向，可以分解到 dq 坐标系下进行控制。通过 dq 旋转坐标变换，实现转矩电流 iq (有功)和励磁电流 id (无功)的解耦控制。在实际控制中一般将 id 的参考值设置为0。iq 的参考值由控制外环经过 PI 得到，外环的参考值一般是由上级主控制器给出（仿真中直接人为设定）。

系统的整体拓扑结构如下图所示：

二、离线仿真

本次实验中直驱风机通过背靠背变流器接到交流电网，交流电网为 690V，与风机网侧变流器相连，整体模型如下图所示。

实际风机结构更为复杂，这里我们省去机械传动部分，只进行变流器的控制部分仿真，具体系统参数如下：

电网侧换流器采用双闭环控制，具体控制部分模型如下：

电机侧换流器采用转矩外环，电流内环的控制，通过修改给定转矩的方式便可以实现风机功率的变化。

运行模型。0.01s 启动整流控制，0.05s 启动逆变控制，逆变器启动后开始加转矩，初始转矩设定16，1s 时变为14。

为验证风机并网整体控制性能，直流侧给定值为1100V，转速开始时给定为1000，1s 时给定转速变为2000。运行得到仿真结果如下所示：

从波形可以看出：在整流和逆变控制启动后，Vdc 在短时间被控制到设定值1100V，有功功率和无功功率也都稳定在设定值。在转矩和转速的设定值变化后，系统也能快速跟随变化。

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：

当转速（speed) 设定值为1000 r/min，直流电压 (Vdc_ref) 设定值1100V，转矩 (Tm_ref) 设定值16 N/m时，实时波形如下图所示：

可以观察到：在开启逆变整流控制后，Vdc 在短时间被控制到设定值1100V，系统也能快速跟随变化并保持稳定。当转速由1000 r/min调整为1500 r/min时，有功功率 P 跟随变化并保持稳定。

EasyGo 实时仿真平台基于 Matlab/Simulink 的实现方式具有上手快、通用性强的特点，在完成端口配置的基础上可以实现免培训操作，这里就不过多赘述。

永磁直驱风力发电系统实时仿真就分享到这里了，欢迎感兴趣的工程师们留言沟通。