[摘 要]人类在经历了长久的发展已确定进入了新的文明时代，科技日新月异，但自然环境却收到了严重的破坏，传统能源也在损耗中慢慢的变少，使得世界必须对能源应用有新的认识，在环保、节能的理念下，强化对新能源的开发、应用，将人类向可持续方向发展。风能是一种自然能源，取之不尽、用之不竭，且具有清洁、无污染的优势，因此作为了新能源开发的一个重点，引起了世界的极大关注。对小型风力发电技术的研究，可在实验室开展，并通过风电试验平台的建立就可顺利开展。本文对500w直驱式风力发电试验平台的设计的具体方案做了详细的研究，包含了风力机模拟装置、电力电子变换装置、永磁同步发电机、DSP控制器等硬件部件。实验表明该试验平台可以在一定程度上完成单位功率因数并网，并能保持直流侧电压稳定。

  时代的巨轮不断向前，社会也在持续不断的发展，各行业各领域对能源的需求也慢慢变得大，传统能源如煤炭、石油等，都是不可再生资源且急速消耗，为了节约对传统能源等损耗，世界各国都加大了对新能源的开发和利用。风能是一种自然界就能获取的资源，不仅可利用，还具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优势，被人们称为“绿色能源”。风能具有不需要采购、运输，开采，消耗资源的的特点，因此在国内外取得了广泛的应用。变速恒频风力发电系统一般都会采用双馈电机或直驱电机，直驱式风力发电以其自身的优点成为未来风力发电发展的方向。在实验室建立直驱式风力发电的试验平台，研究变流器以及并网的控制策略，对风力发电技术的发展十分重要。在对直驱式风力发电系统原理研究的基础上，致力于小功率直驱式风力发电试验平台的设计是工作的重点。

  是利用风力机将风能转变为机械能，风力机带动发电机再将机械能转变为电能。小型风力发电系统一般将发电机发出的电能用储存设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载，并能够最终靠整流，逆变装置将发电机输出的电能进行交直流变换[1]，适应负载的需要。

  ①机动性高：小型发电机可配合要增加或变更组件大小;②安装便捷：可根据自身的需求随时安装，安装简单，快速解决日常用电问题;③能源使用多元化：小型发电机可与多种不同的可再次生产的能源组合，方便可靠;④量身定做的电力使用：某些小型发电机种能配合实际的电力需求调节发电量，提升发电效率;⑤可靠且稳定：小型发电机组容易维修，它属于小地区发电与输配网路，万一断电的话，影响较小;⑥减少对环境的冲击：减少因燃烧木柴、干草以及使用电池后遗留下的重金属对环境与地下水的污染。

  直驱式风力发电系统采用风力机和永磁同步发电机直接耦合，与双馈式风力发电系统相比较省去了故障率较高的齿轮箱。永磁同步发电机转子为永磁式，无需外部提供励磁。永磁同步发电机发出频率变化的交流电，经整流器整流成直流电后，再经过逆变器变换为频率恒定的交流电并入电网。发电机组所产生的电能都要经过变流器送入电网，变流器的容量和永磁同步发电机的容量相同。直驱式风力发电系统如图1所示。

  ①发电系统：由风力机带动永磁同步发电机发出频率变化的交流电，并送入整流器进行整流，是总系统能量的来源。

  ②变流器：采用IPM智能功率模块构成AC/DC和DC/AC变流器，采用一定的操控方法控制发电机侧变流器，将发电机发出的交流电转换为直流电，并控制发电机发出的交流电为正弦交流电;控制网侧变流器工作在有源逆变状态，把直流电变换为三相正弦交流电并能进行单位功率因数并网[2]。IPM模块将功率开关器件和驱动电路集成在一起，并有过电压、过电流以及桥臂互锁等保护电路。

  ③中间直流环节：采用大电容作为中间直流环节，其最大的作用是缓冲变流器交流侧和直流负载之间的能量交换，并能稳定直流侧电压，抑制直流侧谐波电压。

  试验平台系统最重要的包含风力机模拟装置、永磁同步发电机，背靠背双PWM变换器、电压电流检测装置、并网变压器以及主控DSP芯片及相应的驱动和保护电路。

  ①直驱式风力发电试验平台采用变频器拖动三相异步电动机模拟风力机，带动永磁同步发电机运行，异步电动机和永磁同步发机均采用容量为500W的电机，异步电机和永磁同步发电机安装在同一个底座上，并用联轴器连接，采用光电编码器测量电机的实时转速。异步电机的控制采用变频器调速来控制电机的转速，用来模拟风速的变化。

  ②发电机侧变流器和并网变流器能够使用IPM模块和IGBT封装模块构建，试验平台采用IPM智能功率模块，总共需要2片IPM模块构造机侧变流器和并网变流器。由于试验平台的设计是基于容量为500W的永磁同步发电机，而变流器的容量选择与电机相同或略大一些，所以IGBT单管的耐压值应选取1200V以上，电流值选取40A，中间直流环节采用两只220uF的电解电容串联，以提高耐压值。

  ③根据永磁同步发电机的输出电压和输出功率，并留取一定的安全裕量，并网变压器的容量选取为0.8KW。并网逆变器的输出经并网变压器直接与电网连接运行。

  ④试验平台中的机侧变流器和网侧变流器分别采取了两块DSP开发板控制，两片控制芯片通过串口进行通讯。两套DSP控制电路均采用TI公司生产的TMS320LF2812芯片负责AD采样、完成控制算法以及生成SVPWM驱动波。

  ⑤在试验平台系统中需要分别采样机侧变流器和网侧变流器的交流电压和交流电流以及中间直流环节的电压值，该系统采样使用LEM公司生产的电压和电流传感器，发电机的转速和转子位置通过光电编码器检测得到。传感器参数根据系统的容量选择安装。试验平台硬件结构图如图2所示。

  在风力发电原理上，根据系统的硬件元器件选型和控制方案设计，构造了试验系统，能够完全满足发电系统的电流需求。

  本文对小型风力发电系统及其优势做了简述，对在风力发电原理基础上建立了直驱式风力发电试验平台，对硬件、软件、控制方案进行了设计，能够完全满足发电需求，印证了设计的合理性和正确性，为小型发电系统实验室研究提供实现的平台。

  [1]金子轶.独立运行小型风力发电系统的研究[D].大连交通大学，2013.

  [2]王小娟.小型风力发电系统集成控制的设计与实现[D].内蒙古工业大学，2009.