风能作为可再生能源的重要类别,具有蕴藏量大、分布广、可再生且无污染等特性。风力发电作为风能利用的主要形式,已受到世界各国的高度重视,并且发展速度非常快。目前实际运行的风力发电机,其风能的利用效率仍有很大的提升空间。若在不具备风电场运行环境的实验室进行风力发电机的实验,必须建立一个能模拟风电场风能特性与风电机组性能监测的风力发电模拟实验平台。本文设计并构建了一套基于无刷双馈电机(Brushless doubly-fed machine,简称BDFM)的变速恒频风力发电模拟实验平台。1.详细分析了风力发电的相关理论及模拟方法。详细介绍了贝茨模型和风能利用系数的数学模型;分析了BDFM的基本原理,介绍了BDFM在二相转子速度坐标系中的数学模型;针对电网电压发生跌落时,无刷双馈风力发电系统网侧变换器的直流母线电压不稳定现象,提出一种小信号模型控制方法,并将其应用于网侧变换器系统,对网侧变换器在电网电压跌落情况下的特性进行了仿真研究;详细分析了风力机的模拟原理,并根据模拟方法的不同,对风力发电模拟系统进行了分类比较。2.针对本文设计的无刷双馈风力发电模拟实验平台,从硬件结构和软件设计两方面分别作了详细的分析,包括风力机模拟系统、发电机特性分析系统和上位机系统。着重对实验平台中DSP系统和ARM系统的设计作了详细介绍与分析,同时详细分析了BDFM的控制系统设计。3.基于无刷双馈风力发电模拟实验平台,设计了风力发电模拟系统的监测系统,详细分析了监测系统的软件设计。软件系统设计包括两部分:数据采样系统和监测平台。监测系统采用协议,通过工业以太网实现数据采样系统与监测平台之间的相互通信。Modbus4.在实验室搭建了风力发电模拟实验平台,进行了无刷双馈电机实验与监测系统通信实验。通过无刷双馈电机实验,验证了本文设计的风力发电模拟实验平台的可行性和实用性;通过监测系统通信实验,验证了监测系统性能的稳定性、可靠性和实时性。本文得到国家自然科学基金重点项目—“分散式风力-太阳能发电系统的混合控制研究”(60534040)的资助。