基于直流調(diào)速和實時組態(tài)的風力機模擬器設(shè)計

張計科，王生鐵，劉廣忱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

0 引 言

風力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，對于改善能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。在風力發(fā)電技術(shù)的研究中，需要隨時驗證不同工況下風力發(fā)電系統(tǒng)及控制策略的性能。如果用真實的風力發(fā)電機進行實驗驗證，不僅受到季節(jié)變換、氣象條件等因素的限制，難以隨時隨地驗證各種工況，而且成本高。目前普遍采用以各種電動機作為原動機，根據(jù)給定風速和電機轉(zhuǎn)速控制電動機的輸出特性與實際風力機特性相同的風力機模擬器，從而達到不依賴于自然風資源而具有實際風力機特性的模擬效果。這種模擬方法不僅可以在同一模擬平臺上模擬不同特性的風力機，風速的變化也可隨意設(shè)定，可大大縮短研究周期，降低開發(fā)成本。

風力機模擬器根據(jù)原動機所采用的電動機不同，一般有直流電動機［1-7］、異步電動機［8-9］、永磁同步電動機［10-11］三類。直流電動機具有調(diào)速范圍寬、過載能力強、動態(tài)響應(yīng)特性好、機械特性為線性且控制簡單的優(yōu)點，多用于10 kW以下的小功率風力機特性模擬;異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高及經(jīng)久耐用和較同功率直流電動機體積小等優(yōu)點，通過矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制來實現(xiàn)對風力機轉(zhuǎn)矩的模擬，也可以達到與直流電動機相媲美的控制性能，較多應(yīng)用于大功率風力機特性模擬;永磁同步電動機不需要勵磁裝置，不僅結(jié)構(gòu)簡單、維護工作量小，而且效率高、工作可靠、調(diào)速性能好，采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制來模擬風力機特性，也可以實現(xiàn)風力機靜態(tài)和動態(tài)特性較為理想的模擬。目前國內(nèi)外所提出的風力機模擬器根據(jù)功率及使用需求不同，三種電動機都有應(yīng)用，而且不同的模擬方法，控制對象、驅(qū)動方式、控制器、控制策略也不盡相同，甚至使用RT-LAB、dSPACE等半物理實時仿真平臺進行風力機特性模擬。這些風力機模擬器盡管取得了較好的模擬效果，但大多存在風力機特性和風速模型及參數(shù)調(diào)整不便、軟硬件開發(fā)周期較長的問題。本文從研究小型風力發(fā)電系統(tǒng)控制的需求出發(fā)，針對以上問題，本著硬件標準化和軟件組態(tài)化的原則，設(shè)計了基于直流調(diào)速系統(tǒng)和實時組態(tài)環(huán)境的風力機模擬器，不僅可以不依賴于自然風資源而模擬自然風條件下實際風力機的輸出特性，而且可以使離線仿真和在線運行統(tǒng)一在MATLAB/Simulink平臺下組態(tài)和運行，模型及參數(shù)調(diào)整方便，軟件開發(fā)效率高。

1 風力機模型及特性

1.1 數(shù)學(xué)模型

由空氣動力學(xué)及貝茨理論可知，風力機軸上輸出的機械功率:

式中:ρ為空氣密度;R為風輪半徑;v為風速;Cp為風能利用系數(shù)，是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)。

葉尖速比λ:

式中:ωt為風力機旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(1)和式(2)可知，風力機的輸出轉(zhuǎn)矩:

式中:CT為風力機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

對于某種特定型號的風力機，其Cp-λ曲線和CT-λ曲線分別如圖1(a)和1(b)所示。

圖1 風力機風能利用系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線

1.2 輸出特性

根據(jù)Cp-λ和CT-λ曲線，可計算得到在不同風速下風力機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線。圖2為不同風速下風力機輸出特性曲線，其中風速關(guān)系為:v1＜v2＜v3＜v4。風力機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性與功率-轉(zhuǎn)速特性實質(zhì)是一致的，只是從不同的角度反映了風力機的運行特性。

圖2 風力機輸出特性曲線

2 風力機模擬器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 設(shè)計要求

本文主要從研究小型風力發(fā)電應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、模型及參數(shù)調(diào)整方便、軟件開發(fā)效率高的高性能小型風力機模擬平臺。為此，以包頭天隆永磁電機公司的FF-1kW/360r/DC56V型風力發(fā)電機為風力機模擬器設(shè)計參考，采用基于直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制方案模擬小型風力機的輸出特性。該風力機構(gòu)型為三葉片、水平軸、上風向、尾翼對風。發(fā)電機是采用高效稀土釹鐵硼永磁材料的三相永磁交流同步發(fā)電機，具有超低起動力矩、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)、效率高的特點。風力機、直流電動機和永磁同步發(fā)電機具體參數(shù)如表1所示。

表1 風力機與電動機、發(fā)電機機組參數(shù)

2.2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

風力機模擬器由直流電動機、直流調(diào)速裝置和控制器等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。風力機模擬器工作原理為:控制器實時檢測直流電動機轉(zhuǎn)速，并根據(jù)給定風速和實時檢測結(jié)果由風力機模型計算得到對應(yīng)風力機的機械轉(zhuǎn)矩值，再將該轉(zhuǎn)矩換算為相應(yīng)的直流電動機電樞電流作為給定電流，送給直流調(diào)速裝置;直流調(diào)速裝置工作在電流控制模式，通過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)將直流電動機電樞電流調(diào)節(jié)到給定參考電流值，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩對風力機模型輸出轉(zhuǎn)矩的跟蹤，進而實現(xiàn)風力機的輸出特性模擬。

圖3 風力機模擬器總體結(jié)構(gòu)

3 風力機模擬器的硬件設(shè)計

為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高開發(fā)效率及可靠性，本著硬件標準化的原則，進行風力機模擬器的硬件設(shè)計。

3.1 直流調(diào)速系統(tǒng)

風力機模擬器采用西門子SIMOREG DC Master 6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置驅(qū)動直流電動機。該調(diào)速裝置為全數(shù)字控制，可向直流電動機電樞和勵磁供電，組成單象限或四象限調(diào)速系統(tǒng)，具有完善的控制、監(jiān)測、保護和通信功能。其控制功能模塊化，通過組態(tài)可以靈活方便地構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可進行調(diào)節(jié)器參數(shù)自動整定及系統(tǒng)優(yōu)化。同時，它還可以進行勵磁電流恒流調(diào)節(jié)及工作電壓自動補償，具有較強的抗干擾性，從而獲得良好的控制性能。

3.2 PC機及I/O接口

采用個人計算機和研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成風力機模擬器的控制器及I/O接口，可以方便地利用計算機豐富的軟件資源完成控制算法及界面的組態(tài)及數(shù)據(jù)采集。

PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡為低成本多功能PCI總線卡，可以實現(xiàn)16路單端或8路差分模擬量輸入、2路模擬量輸出、數(shù)字量輸入和輸出各16路以及1路可編程計數(shù)/定時功能。該板卡支持即插即入功能，可靈活地設(shè)定輸入類型和范圍，采樣速率高，具有FIFO(先入先出)存儲器，方便連續(xù)高速的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3.3 轉(zhuǎn)速檢測及信號調(diào)理電路

測速發(fā)電機把風力機模擬器中直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過霍爾電壓傳感器及信號調(diào)理后，轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號送入數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入通道進行數(shù)據(jù)采集。信號檢測及調(diào)理電路原理圖如圖4所示。

圖4 信號檢測及調(diào)理電路

4 風力機模擬器的實時組態(tài)控制軟件設(shè)計

為了便于風力機、風速模型及參數(shù)調(diào)整，提高編程效率及可靠性，風力機模擬器基于實時組態(tài)環(huán)境進行控制軟件設(shè)計。

4.1 實時組態(tài)開發(fā)環(huán)境

Real-Time Workshop(RTW)是一個基于Simulink的MATLAB實時控制開發(fā)工具箱，不僅可以直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化、可移植和個性化的代碼，并根據(jù)目標配置自動生成在不同的快速原型化實時環(huán)境或產(chǎn)品目標下運行的實時控制程序，而且可以利用其內(nèi)置的Real-Time Windows Target組件通過I/O接口設(shè)備將Simulink環(huán)境與外部設(shè)備無縫連接，使個人計算機轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r系統(tǒng)，Simulink成為實時組態(tài)開發(fā)環(huán)境和圖形化實時控制平臺。Real-Time Windows Target使用的實時內(nèi)核運行在計算機CPU的零環(huán)區(qū)，在Windows操作系統(tǒng)之前從計算機截取中斷，觸發(fā)Simulink實時運行模型執(zhí)行，保證Simulink實時任務(wù)及數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)淖罡邇?yōu)先級。

本文基于Simulink的外部模式調(diào)用Real-Time Windows Target組件組成實時組態(tài)開發(fā)環(huán)境開發(fā)風力機模擬器的實時組態(tài)控制程序。

4.2 實時組態(tài)控制程序

為了增加控制程序的可讀性，風力機模型和D/A補償環(huán)節(jié)封裝為子系統(tǒng)，在Simulink環(huán)境下調(diào)用Real-Time Windows Target組件開發(fā)的風力機模擬器的實時組態(tài)控制程序如圖5所示。程序采取定步長采樣控制方式，采樣周期為1 ms。

圖5 風力機模擬器實時組態(tài)控制程序框圖

4.3 主要模塊實現(xiàn)方法

圖6 風力機模型程序框圖

風力機模擬器實時組態(tài)控制程序中的風機模型依據(jù)式(1)～式(3)搭建，如圖6所示。其中，為了精確表示不同葉尖速比下的轉(zhuǎn)矩特性系數(shù)GT值，采用15次多項式擬合的方法獲得數(shù)據(jù)，該多項式系數(shù)如表2所示。

此外，為了補償D/A輸出的零點漂移及量程調(diào)節(jié)，程序中增加了D/A輸出補償模塊。

表2 轉(zhuǎn)矩特性多項式系數(shù)

5 風力機模擬器系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗結(jié)果

5.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

加工制作完信號檢測及調(diào)理電路板后，將計算機、西門子直流調(diào)速裝置、直流電動機、永磁同步發(fā)電機、測速發(fā)電機等連接起來分別進行模塊級及系統(tǒng)級軟硬件調(diào)試。為便于測試，這里采用電子負載恒壓控制模式調(diào)節(jié)直流電動機-永磁同步發(fā)電機機組轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風力機模擬器輸出特性工作點的求取。風力機模擬器實驗系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 風力機模擬器實驗系統(tǒng)

5.2 靜態(tài)輸出特性

在額定風速及以下，對應(yīng)恒定風速5 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s的風力機輸出特性曲線如圖8所示。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，風力機模擬器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬，其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線與理論計算結(jié)果相吻合。

圖8 風力機模擬器靜態(tài)輸出特性曲線

當風速高于額定風速，假定小型風力機具有折尾翼特性或其他調(diào)節(jié)裝置時，風力機輸出功率被限制在額定功率以內(nèi)或附近。對于這些風力機特性曲線本文未模擬。

5.3 動態(tài)實驗波形

由于自然風是隨機變化的，本文采用風速四風量組合模型模擬自然風來驗證風力機模擬器的動態(tài)特性［12］。風速模型中，基本風速 Vwb=7 m/s;陣風最大風速Vwg=2 m/s，陣風開始時間tg1=50 s，結(jié)束時間tg2=80 s;漸變風最大風速Vwr=2 m/s，漸變風開始時間tr1=120 s，上升終止時間tr2=160 s;保持時間tr=10 s，隨機干擾風擾動幅度為2 m/s。實驗中通過電子負載的恒壓模式保持永磁同步發(fā)電機輸出電壓恒定，來控制直流電動機-永磁同步發(fā)電機機組轉(zhuǎn)速基本恒定，從而測取風力機模擬器輸出功率。

風速曲線和風力機模擬器輸出功率曲線如圖9所示。由圖9中可知，風力機模擬器的輸出功率隨著風速的變化也有規(guī)律地發(fā)生變化，表明風力機模擬器具有良好的動態(tài)響應(yīng)。

圖9 風力機模擬器動態(tài)特性曲線

6 結(jié) 語

本文主要從研究小型風力發(fā)電應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于直流調(diào)速系統(tǒng)和實時組態(tài)環(huán)境的風力機模擬器，并對恒風速下風機模擬器的輸出靜態(tài)特性和風速變化情況下風機模擬器的輸出動態(tài)特性進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，該風力機模擬器可以不依賴于自然風資源而較為精準地模擬實際風力機的輸出特性，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，并且具有結(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單、編程方便、界面友好的優(yōu)點，為實驗室研究小型風力發(fā)電提供了一個不依賴于自然風資源而具有實際風力機特性模擬效果的高性能、高效率的風力機模擬平臺。

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