基于風機特性模擬的風力發電系統*

趙梅花， 阮 毅， 沈 陽， 葉斌英， 趙方平

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;2.洛陽理工學院，河南洛陽 471023)

0 引言

目前，風力發電技術在全球得到了迅猛發展，許多先進技術不斷從實驗室走向應用現場。要進行風力發電技術的研究，理想的試驗方法是將發電機與風力機相連，在現場做試驗。但多數實驗室不具備風廠環境，提供具有實際風力機特性的受控對象是風力發電技術實驗室研究的前提。因此，研究一種新穎的風力機模擬系統，模擬不依賴自然風力資源和具有實際風力機特性的受控環境，以便進行風力機驅動控制等方面的研究和設計，提高研發的效率十分必要［1］。

風力機模擬系統應具有與實際風力機相同的機械特性，可用于設計、評價和測試實際的風力發電系統。近幾年，對風力機模擬技術的研究逐漸發展起來，主要包括對風速的模擬［2］、變漿距的模擬和對風力機特性的模擬。其中風力機特性的模擬以電機劃分有直流電機［3］和交流異步電機［4］，以控制對象劃分有電流、電磁轉矩和轉速等。其中文獻［5］應用直流電動機模擬了風力機的轉速－功率曲線，但僅為單一風速下的模擬;文獻［6］給出了直流電動機模擬風力機運行在一系列最大功率點時的情況，而沒有模擬非最優運行區域的運行特性;文獻［7］重點介紹了風速變化時直流電動機的轉速響應情況，但缺乏對與發電系統配合工作的深入探討。

本文的重點是用他勵直流電動機模擬風力機的轉矩特性，深入探討了該模擬特性與整個發電系統的協調配合。首先對風力機、直流電動機運行特性進行了分析對比，建立了風力機模型，制定了簡單有效的轉速－轉矩控制模擬方案，搭建了基于數字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)(XC167CI)的風力機模擬平臺，構建了包括硬件平臺和監控軟件在內的完整的直驅式風力機控制系統實驗平臺。本文開發的風力機特性模擬系統應用于直驅式混合勵磁發電機變速恒頻并網風力發電系統的實驗室研究。系統試驗結果表明:風力機特性模擬方案實現簡單、模擬效果優良，為實驗室條件下進行風力發電技術的深入研究創造了條件。

1 直流電動機模擬風力機特性的理論依據

直流電動機之所以能用來模擬風力機特性，是因為兩者在運行特性和運行本質上存在很大的相似性。下面從兩者的基本原理出發尋找直流電動機模擬風力機特性的理論依據。

1.1 風機特性

根據貝茲(Betz)理論，風輪機實際得到的功率與風速的三次方有關。在風速ν下運行時，單位時間內捕獲的風能為

式中:ρ——空氣密度;

R——風輪葉片半徑;

Cp——風能利用系數，反映了風輪機利用風能的效率，它是葉尖速比λ和葉片節距角?的函數。

式中:ωT——風輪旋轉機械角速度。

變速恒頻機組正常運行時葉片節距角?固定，因此，Cp的大小主要決定于λ。

一定風速下典型的風輪機的 λ－Cp曲線如圖1所示，而不同風速和轉速下的功率曲線如圖2所示。由圖1可知，對于一個特定的風速ν，總存在一個最佳的葉尖速比λopt，對應著一個最大的風能轉換系數Cpmax。從圖2可以看出，在同一個風速下，不同的轉速會使風力機輸出不同的功率。只要能夠根據風速的變化，適當地調整風力機轉速，使λ始終為λopt，就可使風力機運行在最佳功率點上，獲得最大的風能轉換效率。風力機的功率－轉速曲線組成了曲線簇，每條曲線上最大功率點的連線(Popt曲線)，稱為風力機的最佳功率曲線，只要運行在這條曲線上，風力機就能捕獲到最大風能。風力機的轉矩特性和功率特性實質是一致的，只是從不同的角度反映了風力機的運行特性。

圖1 風機的λ-Cp特性曲線

圖2 不同風速和轉速下功率特性

1.2 直流電動機模擬風力機的運行原理

(1)直流電動機的靜態數學模型［8－10］:

式中:Ua、ia——直流電動機電樞電壓、電流;

Ra——直流電動機電樞回路電阻;

Ea——直流電動機電樞反電勢;

TM——電機電磁轉矩;

CT、Ce——電磁轉矩常數、感應電動勢常數;

Φ——直流電動機的主磁通;

ω——直流電動機角速度。

如果保持磁通Φ不變，則通過調節電樞電壓U來實現對電動機的調速，就可以使電動機的電磁轉矩(電樞電流)與電機轉速保持一定的關系，而直流電動機輸出機械功率的特性為

式中:Pm——直流電動機輸出機械功率;

Te——直流電動機的輸出機械轉矩。

由式(4)可知，電動機輸出機械功率與電樞電流、轉子轉速成一定關系。由此可見，對于任何已知的輸出功率，只要知道電樞電流或轉子轉速中的任何一個，就可以算出另一個狀態，并通過電機的調壓調速來實現。

由式(3)、式(4)可得:

忽略電樞反應，認為Φ是常數，則Pm只與Ua、ω 有關。

對于風機而言，由 Pm=1/2ρπR2Cpν3和 λ =RωT/ν可知，在一定的風速下，輸出功率只與風輪轉速有關，且由于線性關系，風力機輸出的機械功率與λ-CP曲線相似，即只要知道了轉速，就能通過λ-CP曲線算出在該轉速下對應的風力機輸出功率，對直流電動機而言，由此就能得到所需電樞電流，從而通過調節電樞電壓Ua來調節ω－ia的關系，進而實現對風力機轉矩特性的模擬。

2 模擬風機特性的直流電動機控制策略

通過以上分析可知，風機和直流電動機的功率(轉矩)特性具有較大的相似性，電樞電壓Ua對直流電動機輸出功率(轉矩)的作用類似于風速ν對風力機輸出功率(轉矩)的作用。因此，最簡單的風力機特性模擬方法就是改變直流電動機電樞電壓Ua來模擬風速ν的變化。但該方法只模擬了風力機的部分特性，不足以反映真實情況，因此需要探討更精確的風力機特性模擬方法。

用直流電動機模擬風力機特性的本質是直流電動機輸出功率(轉矩)控制，而非常規的速度控制，這一點非常重要。模擬思路如圖3所示［11］，根據當前風速和檢測的機組轉速，通過風力機數學模型計算出風力機輸出功率(轉矩)，然后將其作為直流電動機的控制指令加以控制。

圖3 風力機特性模擬思路

根據式(1)、式(2)可得如圖4所示的風力機模型，其輸入信號為風速和轉速，根據模擬方案的不同輸出功率或轉矩。根據直流電動機控制對象的不同，可分為功率模擬和轉矩模擬兩種方案，通過控制直流電動機的輸出功率或輸出轉矩來分別模擬風力機的功率特性或轉矩特性。

圖4 風力機模型

從式(5)可知，控制電樞端電壓Ua可以控制直流電動機的輸出功率Pm，功率模擬方案的控制對象是Pm，控制變量為Ua?？砂词?6)計算:

從式(6)可以看到，計算Ua需檢測轉速ω，且檢測誤差會影響計算精度，此外電壓信號較敏感，易受干擾。故功率控制方案的控制誤差較大，實現復雜。

在忽略各種損耗情況下，直流電動機的輸出機械轉矩Te約等于其電磁轉矩TM。從式(3)可知，電樞繞組電流ia和直流電動機的電磁轉矩TM成正比，控制ia便可控制TM，因此可通過控制ia來模擬風力機的轉矩特性。轉矩模擬方案的控制對象是TM，控制變量為 ia，實現簡單，控制精度高，本文即采用該控制策略。

采用PI調節器閉環控制的轉矩模擬方案如圖5所示。控制算法包括兩部分:一部分是風力機模型的計算，用來求取給定轉矩;另一部分是直流電動機的轉矩控制。

圖5 風力機特性模擬算法結構

3 基于風力機特性模擬的系統試驗運行

(1)試驗平臺的搭建。

為了驗證本文所提出控制策略的可行性，以及深入探討該模擬特性與整個發電系統的協調配合性能，搭建了如圖6所示的基于英飛凌公司DSP芯片(XC167CI)的基于風力機特性模擬的直驅式變速恒頻風力發電系統試驗平臺，整個系統由風力機特性模擬、整流、逆變并網等環節組成。

實驗室運行時，將直流電動機與一臺混合勵磁發電機相連來模擬風力機的轉矩特性。他勵直流電機參數如下:額定功率Pe=3 kW、額定電壓Ue=220 V、額定電流Ie=17.5 A、額定轉速ne=1 500 r/min(157 rad/s)。被模擬的風力機模型為［12］

其中，n=5，模型系數a如表1所示。其λ-Cp特性曲線和ω-p曲線分別如圖1、圖2所示。

圖6 試驗平臺結構圖

由圖1可知，該風機模型的最佳葉尖速比λopt=3.7，最佳風能利用系數 Cpmax=0.42，取 R=0.6 m，空氣密度 ρ=1.25 kg/m3。

表1 Cp系數a

所研究的風力機模擬系統一方面要完成模擬風力機在不同轉速下運行，為達到實驗室對機組轉速靜態和動態要求，本文采用了轉速－電流雙閉環控制;另一方面，為滿足變速恒頻并網風力發電系統進行最大風能跟蹤研究的需要，本文采用直接轉矩控制模擬方案來模擬風力機在不同轉速下的運行狀態。

(2)模擬過程中整個風速范圍系統運行狀態如表2所示。

(3)試驗結果及分析。在風機特性模擬的基礎上，進行了系統的并網逆變和最大風能跟蹤試驗。其試驗結果及分析如下。

圖7為風速等于6.5 m/s、功率因數為1時逆變波形，u為電網電壓波形，i為逆變電流的波形。當風速小于6.5 m/s時，單套系統不能逆變，需兩套逆變系統串聯工作。

表2 模擬過程中系統運行狀態

圖7 風速ν=6.5 m/s時的逆變波形

圖8為風速等于10.5 m/s、功率因數為1時逆變波形，u為電網電壓波形，i為逆變電流波形。當風速在11～15 m/s時，系統恒功率輸出，當風速大于15 m/s時，系統逆變失敗，退出電網。

圖8 風速ν=10.5 m/s時的逆變波形

圖9中，n1為風速變化對應的最佳轉速，n2為發電機的實際轉速。由圖可知，當風速由7.5 m/s增大到10.5 m/s時，發電機轉速按同樣的規律跟隨其增長，轉速由750 m/s按線性增加到 1 050 m/s，當風速由 10.5 m/s 降到 8.5 m/s時，發電機轉速按同樣的規律跟隨其下降，轉速由1 050 m/s按線性遞減到850 m/s，系統很好地實現了最大風能跟蹤。

圖9 風速變化時轉速跟隨波形

圖10中，ν為風速的變化曲線，Udc為直流母線電壓的波形。由圖可知，當風速由7.5 m/s增大到 10.5 m/s再由 10.5 m/s降到 8.5 m/s的瞬間，母線電壓有很小的波動，風速穩定后母線電壓保持穩定。

圖10 風速變化時直流母線電壓跟隨波形

由試驗波形可知，在該模擬方案下，在一定的風速范圍內，系統能很好地實現并網逆變和最大風能跟蹤，方案的可行性和正確性得到了驗證。

4 結語

本文分析了風力機和直流電動機的運行原理，給出了直流電動機模擬風力機的理論依據。提出了實現簡單、特性優良的轉速、轉矩控制模擬方案，搭建了基于風力機特性模擬的直驅式變速恒頻風力發電系統軟、硬件試驗平臺，實現了模擬風力機在不同風速、轉速下系統的穩定運行狀態，成功地完成了直驅式變速恒頻風力發電系統并網逆變和最大風能追蹤試驗，為風力發電系統的實驗室研發提供了一條簡單、有效的風機模擬途徑。

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