控制系统验证实验优化为：控制系统的验证实验

1.实验系统的建立

为验证基于最佳功率给定的风能跟踪控制策略的正确性和有效性，设计了直驱式永磁同步风力发电实验系统，图7-11为实验系统结构框图。该系统主要包括永磁同步发电机、双PWM功率变换器、电抗器、升压变压器、并网装置以及H桥控制直流电动机模拟风力机等设备。

图7-11　直驱式永磁同步风力发电实验系统结构

为在实验室无风条件下实现风力发电系统并网实验研究，在一块dSPACE DS1103控制板上采用转矩模拟算法控制直流电动机来模拟风力机特性。dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台。在DS1103控制板上设定风速、直流电机转速和电流即可准确模拟风力机在机组转速变化及风速变化时的运行特性。当设定风速变化时，结合电机转速和风力机特性可实时计算直流电机的输出给定转矩，通过对直流电动机转矩的闭环控制即可实现对风力机特性的模拟，为实现风能跟踪实验奠定基础。双PWM变换器的系统控制器采用一片TI公司电机控制专用的DSP—TMS320F2812，负责处理从电机侧变换器和电网侧变换器采集到的各个信号，并经本文提出的控制算法实现直驱式永磁同步风力发电系统的最佳风能跟踪控制。

2.控制系统的实验研究

利用该实验系统对直驱式永磁同步风力发电系统的最佳风能跟踪控制、发电系统有功和无功独立控制、变速恒频发电运行等进行了实验研究。实验系统参数见表7-1。

假设该风力发电系统在7.6s以前已处于稳态运行，7.6s时风速从4m/s突变至5.2m/s。图7-12给出了发电机转速跟踪风速变化的过程。风速为4m/s时发电机转速约为16rad/s；风速为5.2m/s时发电机转速约为19.3rad/s。相应的转速理论计算值分别为15.5rad/s和20.16rad/s，实际转速和理论计算结果吻合，且具有较快的跟踪速度。

图7-13给出了风速突变时按式（7-18）计算的发电机设定有功功率、网侧变换器并网有功功率和无功功率的变化曲线。设定并网无功功率为零，忽略变换器损耗，可认为并网有功功率近似等于发电机输出有功功率。由图可知，并网有功功率能迅速跟踪设定的有功功率，实现了最佳风能跟踪控制。网侧变换器输出无功功率得到准确控制，且当有功功率发生变化时，网侧变换器的无功功率基本保持不变。

表7-1　实验系统参数

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图7-12　发电机转速ω和风速v

图7-13　设定有功功率Pset、并网有功功率P和无功功率Q

图7-14～图7-16分别给出了风速突变时电网侧变换器的电网相电压和相电流、直流侧电压和发电机定子相电压、相电流的实验结果。由图7-14可知，网侧变换器实现了单位功率因数控制，输出电流正弦性好，当风速变化时，网侧变换器输出的电流迅速增大，动态响应性能优良。由图7-15可知，当风速突变时，网侧变换器具备较强的维持直流侧电压稳定的能力，在整个风能跟踪控制过程中，直流侧电压稳定在设定值附近。由图7-16可知，当风速变化时，发电机定子电流响应迅速，定子电流频率与转速保持同步变化，而整个发电系统输出电流的频率保持不变，实现了变速恒频发电运行。

图7-14　网侧变换器的电网相电压Ega和相电流Iga

图7-15　网侧变换器的电网相电流Iga和直流侧电压Udc

图7-16　网侧变换器的电网相电流Iga和发电机相电流Isa