我國高校和科研院所大多不具備風場環境和風電機組，如采用物理模擬風場和工業級風電機組成本很高，不利于科研人員對新理論、新技術的驗證和測試，因此，設計配置風電機組模擬裝置及仿真系統是非常有效的方法。

直流電動機在輸出功率、輸出轉矩和轉速的關系方面與風力機很相似，都可以用一簇以轉速為自變量的曲線表示。改變風速，可以改變風力機的輸出功率和輸出轉矩；改變電樞端壓，可以改變直流電動機的輸出功率和輸出轉矩；由此可知：通過改變直流電動機的電樞電壓，模擬風速變化，可以使直流電動機按照風力機特性運行，實現風力機模擬?，F有風力機模擬系統設計方案中多采用直流電動機和交流電動機，個別還有采用同步電動機。本實驗裝置采用易于控制、調速和動態轉矩性能好的直流電動機方案。

風力機建模是整個風力機模擬控制系統的關鍵環節之一，風力機的數學模型如圖1所示。在圖1中，N為齒輪箱變速比，如果是直驅型風力發電機，相當于N=1。如果不對特定某一機型的風電機組進行研究，則風力機建模的關鍵是建立Cp（λ，β）數學關系。

根據確定的風力機模擬方案以及風力機數學模型的確定，風力機模擬系統的硬件主要包括他勵直流電動機、轉速測量裝置、直流調速器、控制器、監控主機和人機界面六個部分。其硬件框圖見圖2。

他勵直流機作為風力機模擬的動力部分，與轉速測量裝置和風力發電機同軸連接。額定功率配置應該適中，主要考慮兩方面的因素，一方面由于在實驗室環境中使用，特別是用作學生實驗教學時，一個實驗室配置數量可能較多，從使用人員的安全性和實驗室本身電源功率的限制考慮，電機功率不宜太大，散熱性要好；另一方面如果原動機功率太小，那么實驗風力發電機的功率就更小，而發電機功率越小，電能質量就變差，因此直流機功率也不能太小。

轉速測量裝置作為實驗機組的轉速信號檢測裝置，將轉速信號傳送給直流調速器和變流器，因此要求精度高，線性度好，抗干擾性強。

直流調速器作為直流電動機的驅動裝置，功率相對直流電動機有一定的裕量；控制功能上應具有轉速、電流（轉矩）雙閉環控制，根據確定的風力機模擬方案，調速器還應可以將轉速環旁路，單獨使用轉矩閉環控制；此外還應具有完善的保護功能和通信功能

控制器采用西門子S7-200系列的CPU224XP主機，CPU224XP是西門子S7-200系列的新產品，結合風力模擬系統的實際需要進行配置。

低速永磁同步發電機的永磁體采用稀土材料，能使磁場的穩定性增強，其設計參數如下：

額定功率：3kW，額定電壓：AC380V，額定電流：4.56A，額定頻率50Hz。

全功率風機變流器是全功率風力發電機組的重要組成部分，通過與系統的協調工作，實現風電機組輸出功率的變換和并網，其主要優點如下：

首先，通過全功率風機變流器的控制作用，將不斷變化的風能轉化為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網，保證風力發電機組穩定可靠地并網運行；通過對發電機輸出轉矩的控制，實現最大功率輸出；

其次，與電機直接并網的風力發電系統相比，全功率風機變流器實現了發電機組與電網間的隔離，轉速與電網頻率之間的耦合問題得以解決，避免了因電網波動對發電機組穩定運行所帶來的不利影響。

智能電量監測儀監測變流器網側電參數，并以通信方式將參數實時上傳至監控主機，主要功能如下：

（1）測量三相電流，三相相/線電壓、有功功率、無功功率、功率因數等電量。

（2）2-31次諧波測量。

（3）四象限電能計量：±有功電能（kWh），±無功電能（kVarh）。

（4）標準PT、CT輸入，適用于各種電壓等級及接線方式。

（5）RS-485通訊接口，Modbus RTU通訊規約。

監控主機作為風力機模擬系統監控軟件的運行平臺，同時也是整個變速恒頻風力發電試驗系統的監控主機，應具有豐富的通信接口，能與風力機模擬系統控制器、變流器構建通信網絡；軟件包括兩個部分，一部分是監控主機中運行的監控軟件，監控軟件基于力控ForceControl6.1監控組態軟件設計；另一部分是PLC控制程序，在S7-200專用編程軟件STEP 7-Micro/WIN V4.0中設計；人機界面實時顯示系統運行狀態、各類型曲線和報表，各類控制參數也通過人機界面進行設置。

可選用工業平板電腦（IPPC)作為一種新型工業人機界面，兼具工控機和觸摸屏的優點，支持Windows2000、WindowsXP等通用操作系統或WinCE等嵌入式操作系統，故完全滿足通用組態軟件和PLC編程軟件對PC機硬件和運行環境的要求。

風力發電技術的全方位快速發展推動了風力發電機組運行可靠性的增強，經濟成本下降，同時也使各種新式風力發電機、功率變頻器、最大功率跟蹤（MPPT）算法、先進控制技術等都得到了廣泛的應用。

目前，世界上大中型風力發電系統主要有兩類：一類是恒速恒頻型，另一類是變速恒頻型。相比之下，變速型風力發電機具有不可比擬的優勢，而其主流變槳變速恒頻風力發電機組的動力驅動系統方案主要有兩種：一種是升速齒輪箱、雙饋異步發電機和雙饋變流器；另一種是無齒輪箱直接驅動低速永磁發電機和全功率變頻器。前者采用高速電機，體積小重量輕，雙饋變流器容量僅與電機轉差容量相關，效率高、價格低廉，缺點是升速齒輪箱價格貴，噪音大、易疲勞損壞；后者無齒輪箱，可靠性高，但采用低速永磁電機，體積大，造價高，變頻器需要全功率，成本提高。