一、方案概述
本方案面向双馈风力发电机组（DFIG）的控制器研发与验证需求，基于北京灵思创奇科技有限公司自主研制的 Links-Xil 半实物仿真测试平台，构建“CPU+FPGA”混合架构的实时仿真测试系统。方案旨在为风电整机厂商及科研机构提供一套高精度、可重复、安全可控的硬件在环（HIL）测试环境，支持双馈风机从控制策略开发、并离网切换验证到电网故障穿越考核的全流程测试。
二、系统架构设计
2.1 总体拓扑
针对双馈风机系统的结构特点，采用“大步长 CPU + 小步长 FPGA”的混合实时仿真架构，对系统进行解耦部署：
| FPGA 小步长仿真层 步长 1 μs | 部署 AC/DC/AC 背靠背变换器主电路模型，涵盖转子侧变换器（RSC）、网侧变换器（GSC）及直流母线环节。由 FPGA 完成开关管级的高频 PWM 解算，精确捕捉变换器开关动作下的电流纹波与直流母线电压暂态波动。 |
| 高速数据通道 CPU ⇄ FPGA | |
| CPU 大步长仿真层 步长 10 μs / 50 μs | 部署双馈感应发电机（DFIG）本体模型、风机传动链模型、变桨距控制模型及电网模型。其中，双馈风机模型运行步长为 10 μs，控制器模型步长为 50 μs，满足风机机电暂态过程的仿真需求。 |
图 1 双馈风机 HIL 测试系统分层架构
2.2 模型解耦接口
CPU 与 FPGA 之间通过高速数据通道实现无缝交互，FPGA 以 1 μs 步长向 CPU 反馈变换器开关信号及电气量，确保功率流向的实时准确性。
三、测试系统部署方案
3.1 模型部署策略
5.4将 Simulink 中搭建的双馈风机并离网切换模型按以下方式部署至仿真机：
| 部署位置 | 模型内容 | 运行步长 |
|---|---|---|
| FPGA | AC/DC/AC 背靠背变换器主电路，包含 RSC 和 GSC 的开关管模型、直流母线电容、LCL 滤波器等 | 1 μs |
| CPU | 双馈感应发电机本体模型 | 10 μs |
| 风机传动链及空气动力学模型 | 10 μs | |
| 变桨距控制器 | 50 μs | |
| 电网及并网点模型 | 50 μs |
3.2 信号链路设计
数字量输入 / 输出（DI/O） 仿真机采集外部控制器发出的 PWM 驱动信号、断路器分合闸指令；同时向控制器反馈变换器开关状态及故障报警信号。 | 模拟量输入 / 输出（AI/O） 通过高精度 DA 板卡，将仿真计算的直流母线电压 Vdc、转子转速、并网点电压 / 电流等信号实时反馈给控制器采样系统。 |
四、核心测试场景
1 并网 / 离网无缝切换测试 验证并网与离网切换过程中的功率平滑过渡与暂态响应特性。 | 2 电网故障穿越能力测试 考核电网电压跌落等扰动工况下机组的持续运行与恢复能力。 |
3 直流母线电压稳定控制测试 观测切换与扰动工况下直流母线电压的波动范围与恢复过程。 | 4 变桨距控制验证 验证变桨距控制器在转速与功率调节过程中的响应特性。 |
五、实验结果
本方案已在双馈风机并离网切换模型上完成实测验证。测试条件如下：AC/DC/AC 背靠背变换器部署于 FPGA 中，运行步长 1 μs；双馈风机、电网与控制器部署于 CPU 中，风机步长 10 μs，控制器步长 50 μs。系统初始处于并网状态，在 15 s 时触发离网。蓝色线为Simulink离线仿真结果，红线均为FPGA实时仿真结果（实时仿真数据通过上位机主控软件导出为.mat格式，加载到matlab中），数据未带时间序列，根据导出数据的采样步长50us计算，在横坐标3e5的时候为15s，与仿真设计的15s阶跃一致。图片均包含两张，一张整体预览，一张阶跃细节。
5.1直流电压Vdc
5.2转子转速
5.3B2处电压
5.4B2处电流
对比结果表明，离线仿真与 FPGA 实时仿真结果基本一致，满足电力电子变换器微秒级实时仿真需求。
