风电变流器HIL测试系统解决方案

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——风力发电机组简介——

风力发电机组（简称风电机组、风机）是一种将风的动能转换成电能的系统。

从整体上看，风力发电机组可分为风力机、发电系统和控制系统3个部分。风力机将风的动能转换为旋转机械（叶片、齿轮箱、电机等部分）的动能；发电系统主要包括发电机、变流器、升压变压器和辅助设备，将旋转机械的动能转换为电能；控制系统包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应的软件，对风机整机进行监测和控制。

风力发电机组，按照发电机转速可分为以下三种类型：

1、高速型：风力发电机组使用高速发电机，通过齿轮箱与低转速的风轮进行连接。

2、低速（直驱）型：风力发电机组使用多极同步发电机，让风力机直接拖动发电机转子运转在低速状态，无齿轮箱，提高了机组的可靠性。

3、中速（半直驱）型：这种风力发电机组的工作原理是以上两种形式的折中，减少了同步发电机的极数，同时也增加了增速比较小的齿轮箱。

——风力发电机组的几种典型机型——

大型风力发电机组的机型很多，区别是采用不同的风力机和发电系统，二者应该相互匹配，几种典型机型如下。

1、 Ⅰ型风机

图1 Ⅰ型风力发电机组

如图所示，风力发电机组使用笼型感应发电机，发电机转子通过齿轮箱与风轮连接，而发电机定子回路与交流电网连接。在正常运行时，转速仅在很小的范围内变化，通常不超过2%，即为感应发电机的转差范围。

感应发电机向电网提供有功功率，从电网吸收无功功率用来为发电机励磁。显然，转子回路短路的感应发电机不能控制无功功率，因此采用电容器组来进行无功功率的补偿。

2、 Ⅱ型风机

图2 Ⅱ型风力发电机组

如图所示，风力发电机组使用绕线式感应发电机，通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，使风力发电机能够以部分变速的方式运行于超同步转速的范围内，最高可超过同步转速的10%。

3、 Ⅲ型风机（双馈风机）

图3 Ⅲ型风力发电机组

如图所示，风力发电机组采用交流励磁双馈发电机，转子的转速与励磁的频率有关。双馈发电机允许发电机在同步转速±30%范围内运行。

双馈式风力发电机组的转子通过变流器与电网连接，变流器的额定容量通常为风力发电机组额定功率的三分之一左右。转子超同步运行时，有功功率从转子回路馈入电网，而转子次同步运行时，转子回路从电网吸收有功功率。

4、 Ⅳ型风机（永磁同步风力发电机组）

图4 Ⅳ型风力发电机组（低速电机）

图5 Ⅳ型风力发电机组（中速电机）

图6 Ⅳ型风力发电机组（高速电机）

如图所示，风力发电机组采用永磁同步发电机，发电机的转子转速随风速变化而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变流器，将频率变化的交流电转化为直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。风机的变速恒频控制是在定子回路实现的，因此变流器容量与风机系统的容量相当。

5、基于笼型感应电机全功率变流器的风机

图7基于笼型感应电机全功率变流器的风力发电机

如图所示，风力发电机组采用笼型感应发电机，通过全功率变流器与电网连接。这类风机变转速范围更大，只是变流器的成本较高。

6、基于电励磁同步电机全功率变流器的风机

图8基于电励磁同步电机全功率变流器的风力发电机

如图所示，风力发电机组采用电励磁同步发电机，发电机的转子转速随风速变化而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变流器，将频率变化的交流电转化为直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

在上述各种类型的风力发电机组中，目前占据市场主导地位的是双馈风机和永磁同步风力发电机组，其他类型的风力发电机组也有少量生产。

——风电变流器系统介绍——

风电变流器，一端连接发电机，一端连接电网或升压变压器，作为风力发电系统能量转换的核心组件，应满足以下功能和性能需求：

1、风力发电机组的电网适应性能力要求，包含电压偏差适应性、三相电压不平衡适应性、谐波电压适应性、闪变适应性、频率偏差适应性等技术要求。

2、风力发电机组的故障电压穿越能力要求，包含低穿、高穿、组合穿越等技术要求；

3、风力发电机组的有功和无功调节能力要求；

4、风力发电机组的电能质量能力要求，包含电压谐波、电流谐波等技术要求；

5、风力发电机组的频率支撑能力要求，包含惯量响应、一次调频等技术要求；

6、风力发电机组的阻抗特性技术要求；

7、风力发电机组的保护要求，包含过压、过流等；

8、构网型风电变流器，还需要满足强故障电流支撑、频率支撑、电压支撑、惯量支撑，阻尼控制等技术要求；

9、沙戈荒新能源基地项目、新能源经特高压送出、新能源经直流送出等并网场景，风电变流器还需要满足一些特殊的技术要求，涉及暂态大扰动、稳态小扰动等方向的技术要求。

综上所述，风电变流器在电力系统中发挥着至关重要的作用，是确保系统高效、安全、稳定运行的关键设备。目前，风电变流器一般采用两电平或三电平的电力电子拓扑，采用背靠背的技术方案，变流器一端连接电网，变流器的另一端连接发电机。风电机组的所应用的风电变流器，主要分为两大类：全功率风电变流器和双馈风电变流器，下文将分别进行介绍。

图9双馈风电变流器

如图所示，双馈风电变流器，主要包含软启回路、网侧变流器、机侧变流器、Chopper等部分。机侧变流器经机侧滤波器连接到双馈发电机的转子绕组，网侧变流器经网侧滤波器连接到电网，双馈发电机的定子绕组也直接连接电网。

图10全功率风电变流器

如图所示，全功率风电变流器，主要包含软启回路、网侧变流器、机侧变流器、Chopper等部分。机侧变流器经机侧滤波器连接到发电机的定子绕组，网侧变流器经网侧滤波器连接到电网。

利用HIL系统的优势，不但能够提前发现潜在问题，降低故障风险，缩短开发和测试周期，加快产品上市时间等；而且能够以统一的硬件平台和软件工具链完成风电变流器相关产品所有的验证测试工作，满足风电变流器技术发展中不同物理形态控制器及产品动态变化的验证测试需求。

——信号级HIL测试系统——

信号级的HIL测试系统包括以下三部分：

1、上位机：开发风电变流器被控对象实时仿真模型，包括：电网模型，AC/DC变换器，DC/AC变换器，Chopper，发电机模型；组态式上位机界面：在线调参，波形显示，数据记录；

2、实时仿真机：运行风电变流器被控对象实时仿真模型；

3、被测试的风电变流器控制器；

图11 信号级的HIL测试系统

下面对各部件进行介绍。

——实时仿真机——

实时仿真机，包括SDD，RAM和CPU，通过PCI总线扩展模拟IO模块，数字IO模块，通信IO模块，FPGA IO模块，通过千兆以太网与上位机进行数据交互；

图12 实时仿真机

高性能的多核CPU，同时并行仿真电网和几十套风电变流器，仿真步长50~100微秒。

仿真机支持多块FPGA板卡，通过低延迟的FPGA内部通讯，实现多FPGA IO模块的连接，在需要上百个模拟、数字和光纤通道的应用，确保实现最快速的闭环速率，支持单套或者几十套风电变流器的实时仿真，仿真步长100~500纳秒。

图13 多FPGA并行仿真

——风电变流器的FPGA模型——

风电变流器功率电路使用的电力电子拓扑，如下表所示

类型	电路
AC/DC或DC/AC	两电平，三电平（NCP、ANPC、T-Type）

随着风电机组单机容量大型化和新型电力电子SiC、GaN等器件的应用，为实现更高功率密度，更小的体积，更高的效率的目标，风电变流器功率电路：

1、开关频率高达若干kHz，需要更快的仿真速率，更小的仿真步长；

2、风电机组容量不断增大，需要采用三电平、多电平等拓扑提升系统电压等级；风电机组容量不断增大，需要多变流器并联的方式，提高系统电流等级；意味着电力电子拓扑规模增大，需要更多的仿真硬件资源，导致成本上升；

针对这两个问题的解决方法如下：

1、采用模拟行为模型(Analog Behavioral Modeling，即 ABM）的方式进行建模。不考虑电力电子拓扑内部每个开关器件的模型，而是把电力电子拓扑作为一个整体，利用开关函数来描述其输入输出的数学关系。

图14 H半桥的基于开关函数的输入输出关系和基于ABM的Simulink模型

2、基于组件的（积木式）建模。虽然电力电子拓扑类型较多，但是这些拓扑都可以分解为基本拓扑（组件）。基于基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑；

图15 基于基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑

解决方法的优点如下：

1、基于ABM的建模方式，简化电力电子拓扑内部的复杂度，降低对仿真硬件资源的占用，并减少模型计算量，提升计算速度，缩短仿真步长；

2、基于组件的（积木式）建模，通过基本电力电子拓扑，组合得到复杂的电力电子拓扑，大幅缩短建模的时间，提升建模效率；

——发电机的FPGA模型——

风力发电机所使用的发电机类型，如下表所示

类型	发电机
发电机类型	笼型三相感应电机、双馈电机（绕线式三相感应电机）、三相永磁同步电机、三相电励磁同步电机、三相双绕组永磁同步电机等

随着风电机组单机容量大型化、电机多相技术、电机多绕组技术、电机新材料的使用，为实现更高功率密度，更小的体积，更高的效率的目标，发电机对实时仿真提出了更高的要求：

1、更多的电机类型（同步，异步）和结构形式（多相，多绕组），更高的仿真精度；

2、常规电机模型，内部结构复杂，导致占用仿真硬件资源过多，计算量大，运算速度较慢，不能满足纳秒级仿真步长的要求；

3、电机模型类型有限，无法准确仿真电机的非线性和谐波特性；

针对以上问题的解决方法如下：

1、基于组件的（积木式）建模。虽然电机类型较多，但是这些电机都可以分解为几种基本类型（组件），通过选择使用不同的组件，就可以实现电机类型的改变；

2、基于三维数值梯度离散化方法（3D numerical gradient discretisation method， 3D ngdm）求解电机的偏微分方程；为了准确仿真电机的非线性和谐波特性，电机模型更加复杂，由微分方程变为偏微分方程，提出3D ngdm方法，分别计算电机参数每个维度变化的梯度值，从而快速解算偏微分方程。