CN104091501A - 基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。本发明提让实验人员能够更加深入的了解风力发电的相关原理及相关的控制技术，以便做进一步的研究。

Description

基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验方法

技术领域：

本发明属于风力发电的高教仪器设备领域。用于永磁同步和鼠笼异步两大风力发电机组的实验和教学，可对整机关键部件和风力发电系统进行实验。

背景技术：

前期的风力发电机大多为鼠笼异步风力发电机，具有结构简单、价格低廉、维护方便、转速变化范围大等优点，适合于初期风力发电的开发与应用。而目前大型风力发电机组中市场占有率最高的三种发电机型式为双馈感应发电机、永磁同步发电机和电励磁同步发电机。由于永磁发电机具有发电效率高、可靠性能好、运行成本低和电网接入性能好等优点，使得近些年永磁风力发电机在风电领域快速发展。要进行风力发电的研究，最理想的方法是进行试验。但受设备体积庞大、现场环境恶劣等因素的影响，不能对风力发电系统进行现场试验。因此，构建鼠笼异步和永磁同步的实验室能量转换动模实验台意义重大，通过能量转换动模实验台来模拟实际风力机的工作特性，利用风力机的模拟特性进行风力发电技术的相关研究。使研究人员在了解早期的鼠笼异步风力发电技术基础上更好的研究永磁同步风力发电技术。

随着越来越多的大功率永磁风力发电机的并入电网，使得电网电能质量受到影响。风电的电能质量问题及其解决措施逐渐成为当前风力发电技术的研究热点。要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。因此，构建具有电能质量检测与分析的能量转换动模实验台具有重要意义。

到目前为止，国内有一些关于风力发电实验台的相关研究。但这些设备及方法并不能双向流动试验。也不能对风力发电的电能质量做检测分析。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台及试验方法，其目的是解决以往的试验台功能单一，实验利用率不高的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。

每个全功率变流器上还各自连接有chopper，每一个并网开关柜与馈电柜之间还连接有波形示波仪、功率测试仪和电能质量分析仪。

鼠笼异步电机和永磁同步发电机之间还设置有转速转矩测量单元。

测风塔与PC机之间通过Profibus进行通信，P C机与PLC之间通过以太网协议进行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为Profibus。

一种基于上述的永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：该方法实现两套发电系统，同时实现对应的发电模式的控制，一种是鼠笼异步电机作为拖动电机拖动永磁同步电机运行发电，永磁同步电机发出的电经过全功率变流器流入馈电柜；另一种是永磁同步电机作为拖动电机，鼠笼异步电机作为发电机发电，定子发出的电经过全功率变流器流入馈电柜，具体方法如下：

（1）利用测风塔测风，然后将实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后的数据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标准差检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述数据库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电场出力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时对风电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面通过人机界面显示；

（2）当实验操作人员需要选择永磁同步电机发电时，在PC机操作界面中选择该方案，然后利用PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别永磁和异步机的全功率变流器发出相应的工作指令，变频器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变永磁同步电机转速，同时转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所测转速和永磁电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网；

而当实验操作人员需要选择鼠笼异步电机发电时，利用PC机操作界面中选择该方案，然后通过PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别向永磁同步电机和鼠笼异步电机的全功率变流器中发出相应的工作指令，此时，永磁同步电机作为拖动电机，通过全功率变流器对其进行定子磁链定向的矢量控制，全功率变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制永磁同步电机的转速，从而改变异步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器，永磁同步电机旋转的同时，转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检测和分析，另外可以根据这些所测转速和永磁电机定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网。

在上诉两个方案中，拖动机进行风功率模拟时所依据的方法如下；

$P_M=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρA}{v}^3---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\πRn}}{v}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tur}}}{v}---\left(2\right)$

式(1)、(2)即为风力机的数学模型，其中，ρ为空气密度，kg/m³；A为流过风轮的气流截面积，m²；v为风速，m/s；λ为叶尖速比；ω_tur为风轮的机械角速度，rad/s；R为风轮半径，m；P_M为风机捕获的机械功率，W；T_M为风力机的机械转矩，N-m；C_p(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，其可用下述函数表示

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4{\mathrm{\β}}_j)\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

令为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这3个值进行比较，切入风速之前设置β为0，当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为π/2。

在进行风力发电实验之前，首先检查相序是否满足并网条件，检测方法如下：

将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间，并网方法为：①通过调节全功率变流器来改变发电机的输出电压，使输出电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序，必须停止拖动系统等到发电机转速为零，可以断开S2和S3隔离开关之后调整定子相序实现，严格保证相序一致；③在上述两个步骤完成后，调节发电机侧的全功率变流器，使发电机输出端的频率和电网频率相同；当三只灯泡明暗交替变化十分缓慢时，说明发电机侧频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关；这里我们引入三相同步发电机直接并网的检测方法来让学生了解同步化的过程，实际的手动合闸指令通过开关给变流下命令；同时防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。

永磁同步电机或鼠笼异步电机作为发电机时的变流器控制策略如下：有功功率指令与实际的有功功率P_g的差值经PI调节器输出电流给定指令给定电流指令与实际的电流i_sq比较后的差值经过PI调节器输出电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。d轴给定电流与实际的d轴实际电流i_sd比较后的差值经PI调节器输出d轴电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令；全功率变流器的机侧采用双闭环控制方法，功率环作为外环，电流环作为内环；网侧变流器采用双闭环控制，外环为直流电压和无功功率控制环，主要作用是稳定直流侧电压，内环为电流环，主要作用是设定无功电流指令i_gq以实现快速的电流跟踪；无功功率经测算得出的给定电流，与实际电流i_gq进行比较，差值通过PI调节转换为电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令，直流侧电压的给定值与实际值u_dc的差值经PI调节器输出电流指令与实际电流i_gd的差值经PI调节器输出电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令，其中原理方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\\ Q_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{ga}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gb}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gc}}^{\′}}\end{array}\right]=-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]-L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ga}}\\ u_{\mathrm{gb}}\\ u_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gd}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gd}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ u_{\mathrm{gq}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gq}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gq}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gd}}=-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gq}}=+{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_d\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{t}-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_q\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_r(L_d{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ψ}}_f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

ψ_f为永磁同步电机的永磁体励磁磁链；P_g，Q_g为电网有功功率和无功功率；u_ga′、u_gb′、u_gc′分别为三相电网电压；u_ga、u_gb、u_gc分别为三相电网侧变流器电压；i_ga、i_gb、i_gc为三相电网侧变流器电流；R、L为电网侧电抗器的电阻和电感；i_gd、i_gq、u_gd′、为电网电流和电压在dq轴的分量；u_gd、u_gq分别为网侧变流器在dq轴的分量；ω_g为电网电压电角速度；ω_r为转子角速度；i_sd、i_sq、u_sd、u_sq机侧电流电压在dq轴的分量。

该实验台中的永磁同步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：永磁同步电机采用基于定子磁场定向的矢量控制策略，系统包括速度控制环和位置控制环。

T_e＝P_n|ψ_s|(i_qcosδ-i_dsinδ)＝P_n|ψ_s|i_T          (8)

式中：p_n为极对数；δ为空间电度角；ψ_s为定子磁链矢量，其他符号与上述相同。

该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：鼠笼异步电机采用基于气隙磁场定向的矢量控制策略，系统采用速度闭环控制，其特点是矢量控制系统简单，气隙磁通易于检测，用以处理和控制磁路饱和，转矩调节器是PI调节器，提供了转矩参考值，经变换后得到电流分量参考值

$T_e=p_n{\mathrm{\ψ}}_m^M\×i_s^M=p_n{L}_m{i}_{\mathrm{mm}}{i}_T---\left(9\right)$

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(1+T_{\mathrm{r\σ}}p)i_T}{T_r{i}_{\mathrm{mm}}-T_{\mathrm{r\σ}}{i}_M}---\left(10\right)$

$i_M=\frac{(1+T_{r}p)i_{\mathrm{mm}}+T_{\mathrm{r\σ}}{\mathrm{\ω}}_f{i}_T}{1+T_{\mathrm{r\σ}}p}---\left(11\right)$

式中：p为微分算子；T_rσ为转子漏磁时间常数；T_r为转子时间常数；p_n为极对数；其他符号与上述相同。

优点及效果：

为解决上述问题，本发明提出了基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，以往的相关试验台只是单纯的用电动机模拟风机去驱动永磁同步电机进行风力发电。对此，为提高实验台功能利用率，加深实验人员对了解风力发电从鼠笼异步到永磁同步的技术发展路程。本发明提出在一个试验台的基础上实现两套发电模式的实验：一套是用鼠笼异步电机作为拖动电机去驱动永磁同步风力发电机进行发电，永磁同步电机接全功率变流器，之后通过并网开关柜连接电网，发出的电通过馈电柜流入配电变压器；另一套正好相反，永磁同步发电机作为拖动电机去驱动鼠笼异步电机进行发电，鼠笼异步发电机依次连接全功率变流器和并网开关控制柜，将发出的电流入馈电柜在流入配电变压器。在这里两端的全功率同时有两套控制软件，分别是拖动软件和并网发电机运行软件，这两套控制软件是独立的，实验之前可以根据需要选择其中的一种实验控制方案以进行实验，这样就可以实现在一个试验台上实现两种功能的发电模式，性价比高的同时还能帮助实验人员在了解早期的鼠笼异步风力发电技术基础上更好的研究永磁同步风力发电技术。对于永磁同步和鼠笼异步风力发电机在全功率变流器中间并接一个chopper泄放电路；另外，在鼠笼异步电机与永磁同步发电机之间还装有一个HBM公司的TM12的转矩转速测量仪，在电机旋转时对转子的转速转矩进行实时测量，测量数据通过Profibus传送给人机界面，并在人机界面绘制出转速转矩曲线；此外，实验台可以通过自行给定正确的数据去进行试验，还可以根据PC机数据库中的已建有的模拟虚拟风速进行实验，同时还能根据测风塔实测风速进行实时模拟实验，测风塔实测数据通过Profibus传送给PC机，PC机将通过建有风机动态模拟的软件进行风功率模拟预测，这些风功率数据一方面存入风功率数据库，另外模拟的风功率通过人机界面以曲线的形式显示出来。所有数据和曲线均可以读写、可以打印。在全功率变流器的后面及永磁同步并网开关柜后面和背靠背变流器的后面接有电能质量分析仪、功率测量仪、波形示波仪。对于并网侧的全功率变流器和发电机的控制策略，采用功率、电流双闭环控制系统。在功率控制环中，有功指令根据机组特性按最大风能获取原则给出，无功指定根据电网需求设定。

本发明提填补了已有实验台的不足之处，以满足多方位的教学需求，实现一个关于风力发电的多功能实验台，它可以实现两种发电模式及两种变流器结构的相关实验。在操作之前可以在PC机种选择其中的一种发电方案，其检测试验范围包括从原始的风到所发出电的电能质量。让实验人员能够更加深入的了解风力发电的相关原理及相关的控制技术，以便做进一步的研究。

本发明与现有实验台相比，具有如下优点：

1、本发明实用性好，性价比高，可以完成两套发电系统的实验，一个是鼠笼异步电机拖动永磁同步电机发电，一个是永磁同步电机拖动鼠笼异步电机发电。

2、具有实时风速模拟功能：该试验台不仅支持可选PC机数据库中预设的不同模拟风速进行试验而且还支持实测数据进行实时模拟风功率实验。

3、它可以模拟不同风速下的风力机特性及风功率，还可以实时进行并网实验、转速转矩模拟实验、机组的控制性能、输出功率特性及电能质量的在线监测和分析。

4、系统设计有远程监控和数据显示系统，可实时了解现场的试验情况，满足多方位的教学需求。

附图说明：

图1是本发明的连接结构图。

图2是本发明中方案1的工作流程图。

图3是本发明中方案2的工作流程图。

图4是本发明中并网控制流程图。

图5是本发明中功率测量流程图。

图6是本发明中电能质量检测分析流程图。

图7-1是本发明中的永磁同步电机或鼠笼异步电机作为发电机时的变流器控制策略；

图7-2为本发明中的永磁同步电机作为拖动电机时的电机控制策略；

图7-3为本发明中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1和3所示，本发明提供一种基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，该试验台主要包括测风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。

每个全功率变流器上还各自连接有chopper，每一个并网开关柜与馈电柜之间还连接有波形示波仪、功率测试仪和电能质量分析仪。

鼠笼异步电机和永磁同步发电机之间还设置有转速转矩测量单元。

测风塔与PC机之间通过Profibus进行通信，P C机与PLC之间通过以太网协议进行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为Profibus。

本发明可实现的风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。具体如下：

1)空载运转实验

2)并网过程实验

3)并网连续运行实验

4)风功率模拟实验

5)转矩模拟实验

6)发电功率模拟实验

7)风力发电机所发电的电能质量的测量实验

8)电机控制策略模拟实验等。

实验台能实现两套发电系统，同时通过两套控制软件实现对应的发电模式的控制，一种是鼠笼异步电机作为拖动电机拖动永磁同步电机运行发电，永磁同步电机发出的电经过全功率变流器流入馈电柜；另一种是永磁同步电机作为拖动电机，鼠笼异步电机作为发电机发电，定子发出的电经过全功率变流器流入馈电柜。

该实验台可以通过两种方式进行风速模拟：一种方法是通过PC机数据库中的数据进行模拟风速；另一种方法是采用测风塔的实测数据实现拖动机模拟风速。即通过建有风机动态模型的软件对所获实测数据进行风功率预测模拟，然后根据这些模拟数据进行实验。采用实时数据可以对风能质量有一定的了解并进行对比评估。这些风功率预测数据一方面存入风功率预测数据库并通过人机界面显示出来；一方面根据风功率预测数据去控制变频器，从而控制拖动电机。

全功率变流器接电能质量分析仪和功率测量仪，以了解相应发电系统所发电的电能质量及功率；并对产生的电流进行动态实时测量并显示出波形。并且在鼠笼异步电机和永磁同步电机之间轴上接有一转速转矩测量仪，对转矩转速进行实时动态的测量，测量数据均通过人机界面显示，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。此外，转矩与功率的关T＝9550P/n，P-功率（kW）、T-转矩(Nm)、n-转速(r/min)。通过测量转速转矩以了解功率的转换效率等关系。对于转矩转速传感仪采用HBM的TM12数字扭转传感器，通过Profibus直接与PLC控制系统相连。

对于动模试验台的鼠笼异步电机作为拖动电机时采用基于气隙磁链的矢量控制，作为发电机时采用直功率控制；对于动模试验台的永磁同步电机作为拖动电机时采用基于转子磁链的矢量控制，作为发电机时采用直接功率控制。同时动模试验台还开放一个可编程控制器，支持试验人员编写的控制策略，方便对风力发电的实验研究。

为了整个系统的安全，在发电机自动并网运行之前有个手动并网，只有手动并网成功之后自动并网才能正常启动。其中手动并网主要是完成并网条件的相序是否一致，检测方法有三相同步整步法和示波器检测同步法。对于三相同步整步法有灯光明暗法、灯光旋转法；对于示波器检测同步法它是通过示波器通1、2通道分别检测电网和发电机三相中对应的一相的电压幅值、相位和频率来判断和调整相序一致，本发明采用三相同步整步法。

参照附图1所示，本发明特点之一是可以进行双向发电，实验操作员可以根据相应的需要在操作界面中选择一种方案。基本原理是通过拖动电机替代风轮去拖动发电机运行，通过风功率预测软件对测风塔实测数据进行模拟预测或直接采用PC机数据库中预置的风速数据模拟风，然后根据这些模拟数据去控制PLC控制柜，PLC控制器分别向控制单元发出相应的控制信号，选择的方案不同，发出的控制信号也不相同，根据选择的方案，各控制单元选择与之相应的控制策略，随着风速的实时变化，控制单元可以根据风速情况对原动机进行调速。当速度达到机组并网速度时，机组变流器将机组并入电网，通过调整全功率变流器的功率因数给定，可以实现发电量和功率因数的调节。

附图1中所示，现场测风塔实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后的数据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标准差检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述数据库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电场出力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时对风电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面通过人机界面显示。

附图1中PLC控制柜的功能是根据实测风速或PC机数据库中预置不同模拟风向PLC控制柜发出控制信号，PLC控制柜向控制单元发出指令，从而控制拖动电机的转速，即控制发电机的转速，当风速达到切入速度时，控制系统发出并网指令，从而实现风电的能量转换。发出的电均通过馈电柜反馈到配电变压器。

当实验操作人员按课程需要选择永磁同步电机发电时，在PC机操作界面中选择方案1。同时PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别永磁和异步机的全功率变流器发出相应的工作指令，变频器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变永磁同步电机转速。同时转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制。对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所测转速和永磁电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网，其工作流程如附图2。

当实验操作人员按课程需要选择鼠笼异步电机发电时，在PC机操作界面中选择方案2。此时PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别向永磁同步电机和鼠笼异步电机的全功率变流器中发出相应的工作指令。此时，永磁同步电机作为拖动电机，通过全功率变流器对其进行定子磁链定向的矢量控制，全功率变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制永磁同步电机的转速，从而改变异步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器。永磁同步电机旋转的同时，转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检测和分析，另外可以根据这些所测转速和永磁电机定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网，其工作流程如附图3。在上诉两个方案中，拖动机进行风功率模拟时所依据的原理如下；

$P_M=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρA}{v}^3---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\πRn}}{v}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tur}}}{v}---\left(2\right)$

式(1)、(2)即为风力机的数学模型。其中，ρ为空气密度，kg/m³；A为流过风轮的气流截面积，m²；v为风速，m/s；λ为叶尖速比；ω_tur为风轮的机械角速度，rad/s；R为风轮半径，m；P_M为风机捕获的机械功率，W；T_M为风力机的机械转矩，N-m；C_p(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，其可用下述函数表示

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4{\mathrm{\β}}_j)\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

令为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这3个值进行比较，切入风速之前设置β为0，当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为π/2。

附图4所示在进行风力发电之前，首先检查相序是否满足并网条件，对于检测方法，将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间。并网方法为：①通过调节全功率变流器来改变发电机的输出电压，使输出电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序（注意：不能调整电网侧相序带电危险），必须停止拖动系统等到发电机转速为零。可以断开S2和S3隔离开关之后调整定子相序实现，严格保证相序一致。③在上述两个步骤完成后，调节发电机侧的全功率变流器，使发电机输出端的频率和电网频率相同。当三只灯泡明暗交替变化十分缓慢时，说明发电机侧频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关。这里我们引入三相同步发电机直接并网的检测方法来让学生了解同步化的过程，实际的手动合闸指令通过开关给变流下命令。同时防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。

如附图5所示，分别是该实验台的功率检测装置，它们通过多通道高速采集样板采集数据并转换为数字信号，然后经过数字处理系统传送到数字量输出模块。它接在并网开关柜之后，如附图1所示，分别测量器电压电流的大小、频率和相位，从而得出所发出的有功功率、无功功率、功率因数等参数，并通过显示器显示出来。

如附图6所示，为该试验台的电能质量检测单元的流程图，电能质量检测点连在永磁电机和异步电机定子端的全功率变流器之后。如附图1所示，在相应的方案下检测对应的电能质量，以了解风力发电状况。电能质量的检测流程如附图5所示。通过多通道数据采集单元进行数据采集，然后把采集到的数据进行模数转换，转换为数字信号，经过DSP数据处理以保证参数的准确测量，然后把相应的参数和波形通过显示器显示出来，其中可可测量电压和电流的2-63次谐波；可测量电压偏差，频率偏差，电压波动和闪变等各种电能质量参数。三相不平衡度、矢量图显示、电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压等暂态数据测量，三项及单项功率、视在功率、有功功率、无功功率、基波功率因数、全功率因数等。

如附图7-1所示，为该实验台中的永磁同步电机或鼠笼异步电机作为发电机时的变流器控制策略。有功功率指令与实际的有功功率P_g的差值经PI调节器输出电流给定指令给定电流指令与实际的电流i_sq比较后的差值经过PI调节器输出电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。d轴给定电流与实际的d轴实际电流i_sd比较后的差值经PI调节器输出d轴电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。全功率变流器的机侧采用双闭环控制方法，功率环作为外环，电流环作为内环。网侧变流器采用双闭环控制，外环为直流电压和无功功率控制环，主要作用是稳定直流侧电压，内环为电流环，主要作用是设定无功电流指令i_gq以实现快速的电流跟踪。无功功率经计算得出的给定电流，与实际电流i_gq进行比较，差值通过PI调节转换为电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。直流侧电压的给定值与实际值u_dc的差值经PI调节器输出电流指令与实际电流i_gd的差值经PI调节器输出电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。其中原理公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\\ Q_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{ga}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gb}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gc}}^{\′}}\end{array}\right]=-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]-L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ga}}\\ u_{\mathrm{gb}}\\ u_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gd}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gd}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ u_{\mathrm{gq}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gq}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gq}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gd}}=-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gq}}=+{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_d\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{t}-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_q\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_r(L_d{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ψ}}_f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

ψ_f为永磁同步电机的永磁体励磁磁链；P_g，Q_g为电网有功功率和无功功率；u_ga′、u_gb′、u_gc′分别为三相电网电压；u_ga、u_gb、u_gc分别为三相电网侧变流器电压；i_ga、i_gb、i_gc为三相电网侧变流器电流；R、L为电网侧电抗器的电阻和电感；i_gd、i_gq、u_gd′、为电网电流和电压在dq轴的分量；u_gd、u_gq分别为网侧变流器在dq轴的分量；ω_g为电网电压电角速度；ω_r为转子角速度；i_sd、i_sq、u_sd、u_sq机侧电流电压在dq轴的分量。

如附图7-2所示，为该实验台中的永磁同步电机作为拖动电机时的电机控制策略。此时，永磁同步电机采用基于定子磁场定向的矢量控制策略，系统包括速度控制环和位置控制环。

T_e＝P_n|ψ_s|(i_qcosδ-i_dsinδ)＝P_n|ψ_s|i_T             (8)

式中：p_n为极对数；δ为空间电度角；ψ_s为定子磁链矢量，其他符号与上述相同。

如附图7-3所示，为该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略图。此时，鼠笼异步电机采用基于气隙磁场定向的矢量控制策略。系统采用速度闭环控制，其特点是矢量控制系统简单，气隙磁通易于检测，用以处理和控制磁路饱和。转矩调节器是PI调节器，提供了转矩参考值经变换后得到电流分量参考值

$T_e=p_n{\mathrm{\ψ}}_m^M\×i_s^M=p_n{L}_m{i}_{\mathrm{mm}}{i}_T---\left(9\right)$

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(1+T_{\mathrm{r\σ}}p)i_T}{T_r{i}_{\mathrm{mm}}-T_{\mathrm{r\σ}}{i}_M}---\left(10\right)$

$i_M=\frac{(1+T_{r}p)i_{\mathrm{mm}}+T_{\mathrm{r\σ}}{\mathrm{\ω}}_f{i}_T}{1+T_{\mathrm{r\σ}}p}---\left(11\right)$

式中：p为微分算子；T_rσ为转子漏磁时间常数；T_r为转子时间常数；p_n为极对数；其他符号与上述相同。

当实验台中的鼠笼异步电机作为发电机时其控制策略与永磁电机作为发电机时的控制策略相同。

除此之外，该试验台还配有以可编程控制器，实验者可以将自己的控制策略下载到控制器中进行实验，方便风电能量转换的控制策略优化要研究。

本发明中，当选择永磁同步电机发电时，PC机根据实际风场的各种运行工况，模拟各种风资源条件下的机组风轮驱动情况，通过PLC去控制变频器驱动鼠笼异步电机，然后拖动永磁同步风力发电机组运行，当达到并网条件时可将风力发电机组并网发电，永磁同步电机并网主控制系统采用瞬时直接功率控制；当选择发电方式为鼠笼异步电机发电时，永磁同步电机的并网开关柜接通，通过PLC进行定子磁链定向的矢量控制，进而调节永磁电机的转速。当两者中的任一种发电时，检测装置开始采集机组的运行信息并传送给控制系统和测试系统。在实验平台的操作界面上，可以选择不同的风况进行模拟，也可以根据实时采集的风资源数据进行拖动机模拟风速实验。实验台也可进行电机并网控制策略的模拟实验，观察到机组同步化、并网的过程；电能质量检测教学实验：并网后对发电的电能质量进行检测，检测项目包括电流、电压、功率、谐波、不平衡度、闪变等参数，在检测仪器界面上，可以显示出各种电能质量的检测指标情况，进行电能质量测试传感器、仪器仪表的观察、使用等。最终由Labview系统对数据进行显示、处理、储存等，得到机组的各项试验结果，并在显示器中显示出波形图。

Claims (10)

1.基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：该试验台主要包括测风塔、PC机、PLC控制柜、鼠笼异步电机、永磁同步发电机、并网开关柜及馈电柜；鼠笼异步电机与永磁同步发电机连接，鼠笼异步电机通过一个全功率变流器连接至一个并网开关柜，永磁同步发电机通过另一个全功率变流器连接至另一个并网开关柜，两个并网开关柜共同连接至馈电柜，馈电柜通过配电变压器连接至电网；测风塔连接PC机，PC机连接PLC控制柜，PLC控制柜连接至两个全功率变流器。

2.根据权利要求1所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：每个全功率变流器上还各自连接有chopper，每一个并网开关柜与馈电柜之间还连接有波形示波仪、功率测试仪和电能质量分析仪。

3.根据权利要求1或2所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：鼠笼异步电机和永磁同步发电机之间还设置有转速转矩测量单元。

4.根据权利要求3所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台，其特征在于：测风塔与PC机之间通过Profibus进行通信，P C机与PLC之间通过以太网协议进行通信，PLC控制柜与变频器之间通过CANopen通信，PLC控制柜与变流器之间的通信均为Profibus。

5.一种基于权利要求1所述的永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：该方法实现两套发电系统，同时实现对应的发电模式的控制，一种是鼠笼异步电机作为拖动电机拖动永磁同步电机运行发电，永磁同步电机发出的电经过全功率变流器流入馈电柜；另一种是永磁同步电机作为拖动电机，鼠笼异步电机作为发电机发电，定子发出的电经过全功率变流器流入馈电柜，具体方法如下：

（1）利用测风塔测风，然后将实测数据通过Profibus传到PC机上，PC机对采集后的数据进行模数转换、归零检查、死区检查、限值检查、变化率检查、相关性检验、均值及标准差检验的处理，对不合理及缺陷数据进行插补和替代，最后将处理后的数据存储入所述数据库服务器的数据库中，测量模块从电网数据库中读取当前风电场出力，并以当前风电场出力为输入量，以历史数据为修正量进行预测，得出下个时间窗内风功率预测范围，同时对风电场的风能质量进行评估，预测范围和评估结果一方面存入风功率数据库，另一方面通过人机界面显示；

（2）当实验操作人员需要选择永磁同步电机发电时，在PC机操作界面中选择该方案，然后利用PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别永磁和异步机的全功率变流器发出相应的工作指令，变频器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去实时控制拖动异步电机的转速，从而改变永磁同步电机转速，同时转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，对发出电的电能质量进行实时检测，另外可以根据这些所测转速和永磁电机的定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网；

而当实验操作人员需要选择鼠笼异步电机发电时，利用PC机操作界面中选择该方案，然后通过PC机根据实测风速或数据库中预置风速数据向PLC控制柜发出指令，PLC控制柜再分别向永磁同步电机和鼠笼异步电机的全功率变流器中发出相应的工作指令，此时，永磁同步电机作为拖动电机，通过全功率变流器对其进行定子磁链定向的矢量控制，全功率变流器根据PC中实测或预置风的实时模拟数据去控制永磁同步电机的转速，从而改变异步电机的旋转速度，异步电机发出的电直接连接全功率变流器，永磁同步电机旋转的同时，转速转矩测量仪对异步电机与永磁电机的连接轴进行转速转矩测量，测量数据分别反馈到PC机，以对其转速进行实时控制，同时对全功率变流器之后的电能质量进行实时检测和分析，另外可以根据这些所测转速和永磁电机定子发出的电的相序、电压、频率判断能否并网。

6.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：

在上诉两个方案中，拖动机进行风功率模拟时所依据的方法如下；

$P_M=\frac{1}{2}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\mathrm{\ρ}{\mathrm{Av}}^3---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\πRn}}{v}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tur}}}{v}---\left(2\right)$

式(1)、(2)即为风力机的数学模型，其中，ρ为空气密度，kg/m³；A为流过风轮的气流截面积，m²；v为风速，m/s；λ为叶尖速比；ω_tur为风轮的机械角速度，rad/s；R为风轮半径，m；P_M为风机捕获的机械功率，W；T_M为风力机的机械转矩，N-m；C_p(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，其可用下述函数表示

$\left\{\begin{array}{c}{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4{\mathrm{\β}}_j)\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

令为一固定值，在这里我们把风速设为划分为切入风速、额定风速、切出风速三个区间，值分别为4m/s、12m/s、18m/s。根据实测风速或者数据库中的风速值分别与这3个值进行比较，切入风速之前设置β为0，当值在切入和额定风速之间时，根据风大风能追踪原理逐渐调节桨距角β，当风速在额定和切出风速之间，调节桨距角β为π/2。

7.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：在进行风力发电实验之前，首先检查相序是否满足并网条件，检测方法如下：

将三只灯泡直接跨接于电网与双馈发电机定子的对应相之间，并网方法为：①通过调节全功率变流器来改变发电机的输出电压，使输出电压与电网电压的幅值、频率和相位相同；②电压调整好后，如果相序一致，灯光应该表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应该调整发电机的出线相序，必须停止拖动系统等到发电机转速为零，可以断开S2和S3隔离开关之后调整定子相序实现，严格保证相序一致；③在上述两个步骤完成后，调节发电机侧的全功率变流器，使发电机输出端的频率和电网频率相同；当三只灯泡明暗交替变化十分缓慢时，说明发电机侧频率和电网电压频率十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并网开关；这里我们引入三相同步发电机直接并网的检测方法来让学生了解同步化的过程，实际的手动合闸指令通过开关给变流下命令；同时防止直接操作并网开关以损坏变流器和发电机设备，甚至对电网造成冲击。

8.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：永磁同步电机或鼠笼异步电机作为发电机时的变流器控制策略如下：有功功率指令与实际的有功功率P_g的差值经PI调节器输出电流给定指令给定电流指令与实际的电流i_sq比较后的差值经过PI调节器输出电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令。d轴给定电流与实际的d轴实际电流i_sd比较后的差值经PI调节器输出d轴电压给定值然后经过坐标变换产生PWM的控制指令；全功率变流器的机侧采用双闭环控制方法，功率环作为外环，电流环作为内环；网侧变流器采用双闭环控制，外环为直流电压和无功功率控制环，主要作用是稳定直流侧电压，内环为电流环，主要作用是设定无功电流指令i_gq以实现快速的电流跟踪；无功功率经测算得出的给定电流，与实际电流i_gq进行比较，差值通过PI调节转换为电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令，直流侧电压的给定值与实际值u_dc的差值经PI调节器输出电流指令与实际电流i_gd的差值经PI调节器输出电压给定指令然后经过坐标变换产生PWM的控制指令，其中原理方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\\ Q_g=\frac{3}{2}(u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}{i}_{\mathrm{gq}})\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{{\mathrm{ga}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gb}}^{\′}}\\ u_{{\mathrm{gc}}^{\′}}\end{array}\right]=-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]-L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ga}}\\ i_{\mathrm{gb}}\\ i_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ga}}\\ u_{\mathrm{gb}}\\ u_{\mathrm{gc}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gd}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gd}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ u_{\mathrm{gq}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{gq}}+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{gq}}-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gd}}=-{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gq}}+u_{{\mathrm{gd}}^{\′}}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{gq}}=+{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{Li}}_{\mathrm{gd}}+u_{{\mathrm{gq}}^{\′}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_d\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{t}-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_q\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_r(L_d{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ψ}}_f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

ψ_f为永磁同步电机的永磁体励磁磁链；P_g，Q_g为电网有功功率和无功功率；u_ga′、u_gb′、u_gc′分别为三相电网电压；u_ga、u_gb、u_gc分别为三相电网侧变流器电压；i_ga、i_gb、i_gc为三相电网侧变流器电流；R、L为电网侧电抗器的电阻和电感；i_gd、i_gq、u_gd′、为电网电流和电压在dq轴的分量；u_gd、u_gq分别为网侧变流器在dq轴的分量；ω_g为电网电压电角速度；ω_r为转子角速度；i_sd、i_sq、u_sd、u_sq机侧电流电压在dq轴的分量。

9.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：该实验台中的永磁同步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：永磁同步电机采用基于定子磁场定向的矢量控制策略，系统包括速度控制环和位置控制环。

T_e＝P_n|ψ_s|(i_qcosδ-i_dsinδ)＝P_n|ψ_s|i_T                   (8)

式中：p_n为极对数；δ为空间电度角；ψ_s为定子磁链矢量，其他符号与上述相同。

10.根据权利要求5所述的基于永磁风力发电机的能量转换动模实验台的试验方法，其特征在于：该实验台中的鼠笼异步电机作为拖动电机时的电机控制策略如下：鼠笼异步电机采用基于气隙磁场定向的矢量控制策略，系统采用速度闭环控制，其特点是矢量控制系统简单，气隙磁通易于检测，用以处理和控制磁路饱和，转矩调节器是PI调节器，提供了转矩参考值经变换后得到电流分量参考值

$T_e=p_n{\mathrm{\ψ}}_m^M\×i_s^M=p_n{L}_m{i}_{\mathrm{mm}}{i}_T---\left(9\right)$

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(1+T_{\mathrm{r\σ}}p)i_T}{T_r{i}_{\mathrm{mm}}-T_{\mathrm{r\σ}}{i}_M}---\left(10\right)$

$i_M=\frac{(1+T_{r}p)i_{\mathrm{mm}}+T_{\mathrm{r\σ}}{\mathrm{\ω}}_f{i}_T}{1+T_{\mathrm{r\σ}}p}---\left(11\right)$

式中：p为微分算子；T_rσ为转子漏磁时间常数；T_r为转子时间常数；p_n为极对数；其他符号与上述相同。