作者：李建林 ， 高志剛 ， 付勛波

1 引言

目前風(fēng)能是發(fā)展最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源之一。因此，風(fēng)力發(fā)電成為各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個(gè)方面都得到了迅速的發(fā)展，各種新式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率變流器、最大功率跟蹤算法、先進(jìn)控制技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)力機(jī)，這很不利于對(duì)一些新式理論和技術(shù)的驗(yàn)證，為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，有必要發(fā)展一種能在實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)力機(jī)特性的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加速新方法、新技術(shù)的研究周期。風(fēng)力機(jī)模擬器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于環(huán)境和風(fēng)力機(jī)的情況下模擬風(fēng)力機(jī)特性，可以模擬不同的特性的風(fēng)力機(jī)，而且可以任意設(shè)定風(fēng)速的變化曲線，方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。風(fēng)力機(jī)模擬裝置可以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的開發(fā)和測(cè)試。

由于異步電動(dòng)機(jī)具有穩(wěn)定性好，維修費(fèi)用低，工作時(shí)間長(zhǎng)，且價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)勢(shì)，因此，實(shí)驗(yàn)室采用異步電動(dòng)即進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬器的載體。然而，異步電動(dòng)機(jī)的控制相對(duì)復(fù)雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的“理想控制”，從而使異步機(jī)輸出曲線與風(fēng)力機(jī)輸出曲線吻合，達(dá)到了模擬風(fēng)力機(jī)特性的目的，同時(shí)，借助與Vacon公司變頻器的強(qiáng)大編程能力，模擬不同的風(fēng)力機(jī)只需要改變相應(yīng)的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用簡(jiǎn)單、方便。

2 風(fēng)力機(jī)特性研究

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可以知道，風(fēng)力機(jī)的輸入功率是：

其中：ρ為空氣密度，A為風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積，RW為葉片的半徑，v為風(fēng)速。

風(fēng)力機(jī)的輸出功率為：

其中CP為風(fēng)能利用系數(shù)：

風(fēng)能利用系數(shù)CP為風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，它與風(fēng)速，葉片轉(zhuǎn)速，葉片直徑和槳葉節(jié)距角均有關(guān)系，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。

葉尖速比λ是風(fēng)輪葉尖速度與風(fēng)速之比：

圖1風(fēng)力機(jī)葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系曲線

由圖1可以看出，對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī)，在一定風(fēng)速和槳距角時(shí)，存在一個(gè)最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率最佳。因此，在某一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行在最佳葉尖速比條件下，就可以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲的目的。

對(duì)于風(fēng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性非常重要，與之相對(duì)應(yīng)的是風(fēng)力機(jī)輸出功率與機(jī)械角速度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率和機(jī)械角速度間的關(guān)系曲線

3 風(fēng)力機(jī)模擬器原理

圖3風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

將此時(shí)的轉(zhuǎn)矩給定作為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定，保持異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與給定相同，即可實(shí)現(xiàn)此時(shí)的風(fēng)力機(jī)模擬功能，因此風(fēng)力即模擬器的原理框圖可以用如下圖4所示的框圖表示。

圖4風(fēng)力機(jī)模擬器原理框圖

實(shí)驗(yàn)中采用芬蘭VaconNX系列變頻器來(lái)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，VaconNX系列變頻器是高性能矢量控制通用變頻器。它具有如下特點(diǎn)：

（1）采用先進(jìn)的矢量控制算法，對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行解耦控制，配合電機(jī)參數(shù)設(shè)定，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償負(fù)載波動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，具有極高的穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能滿足各類高性能場(chǎng)合的傳動(dòng)控制要求。

（2）VACON變頻器具有開放的可編程功能，編程工具VaconNC11313Engineering是一個(gè)符合IEC611131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來(lái)設(shè)計(jì)VaconNX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級(jí)功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NCl131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。自帶LCD鍵盤，不僅能夠顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障代碼，還能進(jìn)行參數(shù)的拷貝和下載功能，非常方便調(diào)試和后期維護(hù)。

（3）多種擴(kuò)展卡滿足用戶需要。

（4）內(nèi)置RS-485接口，通過(guò)擴(kuò)展板可以接入符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ProfiBusDP、ModBus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，滿足日后組網(wǎng)要求。

（5）瘦長(zhǎng)、節(jié)省空間的設(shè)計(jì)，安裝靈活，集成了RFI濾波器能夠滿足工業(yè)等級(jí)斜坡防護(hù)要求。

實(shí)驗(yàn)中，模擬風(fēng)速為4、5、6、7和8m/s風(fēng)力機(jī)特性如圖5所示，圖6為相應(yīng)的參考轉(zhuǎn)矩曲線，可以看出，參考轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速的不同而作相應(yīng)變化。圖7為異步電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩曲線。

圖5風(fēng)速曲線

圖6參考轉(zhuǎn)矩曲線

從圖7可以看出，該方案能很好的模擬最佳轉(zhuǎn)速曲線，能很快的響應(yīng)風(fēng)速的變化，除了在啟動(dòng)時(shí)有一些波動(dòng)外，對(duì)風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩曲線模擬得很好。這一結(jié)果依賴于VaconNX變頻器良好的調(diào)速性能和快速的相應(yīng)能力。

圖7轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建了風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，介紹了一種基于異步電動(dòng)機(jī)的由VaconNX變頻器控制的風(fēng)力機(jī)模擬器方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，在正確的數(shù)學(xué)模型支撐下，給定正確的參考力矩，VaconNX變頻器便可以精確、高性能控制后續(xù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，達(dá)到了良好的風(fēng)力機(jī)模擬效果。為實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的研究提高了條件，且由于VaconNX變頻器出色的編程能力，在模擬不同的風(fēng)力機(jī)特性時(shí)只需要改變相應(yīng)參數(shù)即可，大大方便了實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

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