由異步電動機模擬風力機動態特性的方案

權海亮，董升，韓肖清

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原030024）

由異步電動機模擬風力機動態特性的方案

權海亮，董升，韓肖清

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原030024）

為了更好地在實驗室條件下對風電技術進行研究，提出了采用異步電動機模擬風力機工作的方案。應用矢量控制技術將異步電動機等效為直流電動機，分析剪切效應和塔影效應對風速引起的擾動，建立風力機模擬系統，在恒風速、變風速和計及剪切效應和塔影效應引起轉矩脈動的情況下對風力機的輸出特性進行Matlab仿真。仿真結果表明，采用異步電動機模擬的風力機輸出轉矩能夠很好地跟蹤實際風力機的輸出參考轉矩，驗證了該方案的可行性。

異步電動機；風力機；特性模擬；矢量控制；Matlab仿真

近年來，對可再生能源的開發利用，特別是對風能和太陽能的開發利用已經得到世界各國的關注[1]。要進行風力發電的研究，最理想的途徑是在現場做實驗，但受現場和氣候因素等條件的限制，有必要在實驗室搭建能夠模擬風機特性的風力發電實驗平臺，從而實現實驗室條件下進行各種工況風力發電的研究。

目前，風力機模擬系統的相關研究逐漸增多，根據所采用原動電機的不同，風力機模擬系統分為直流電動機[2-3]、異步電動機[4-8]和永磁同步電動機[9]3類。為建立更精確的風力機模型，有必要詳細研究剪切效應和塔影效應所產生的風力機轉矩脈動影響。文獻[3]利用直流電動機對風力機進行模擬研究，考慮的因素比較簡單，理論說服性不強；文獻[4]從異步電機的角度出發建立風力機仿真平臺，對不變風速和變風速進行了簡單的模擬，對風力機的動態特性研究的深度不夠；文獻[10]采用解析表達式法計算出所需要模擬的實際轉矩，考慮了包含由塔影效應和剪切效應所造成脈動轉矩的影響；文獻[11]以直流電動機作為原動機進行風力機的模擬研究，論述了風力機的剪切效應、塔影效應和風力機大慣量特性，提出了轉矩指令動態補償的模擬方案，對剪切效應和塔影效應分別進行研究，得出恒定風速下風力發電機的輸出轉矩包含了周期性脈動量，且此脈動量一般由剪切效應和塔影效應引起，而轉矩脈動的頻率是風力機的旋轉頻率與槳葉數的乘積；文獻[12]定性研究了剪切效應和塔影效應所引起的轉矩脈動，考慮了其對風力發電系統機械傳動機構的影響。

本文結合上述文獻，采用基于矢量控制的異步電動機作為原動機，搭建風力機模擬系統，從風力機動態特性角度出發，分析了剪切效應和塔影效應對風場風速的擾動量，在恒風速、變風速和計及剪切效應和塔影效應引起轉矩脈動的情況下，考慮槳距角的變化，對風力機的動態特性進行了仿真研究，通過理論分析和仿真驗證了該模擬方案的可行性。

1 風力機的動態特性分析

1.1 剪切效應

剪切效應是指風速隨高度變化的特性對風力機捕獲轉矩和功率的影響。剪切效應產生的脈動轉矩一般是風力機的各片槳葉不斷地旋轉所經歷的風速狀況不同而形成的，常見的剪切模型為

式中：r為槳葉的葉素與轉軸中點之間的徑向距離；θ為方位角；vH為轉轂位置的風速；Ws為剪切函數；α為剪切經驗指數；H為轉轂處高度；Ws（r，θ）是由剪切效應所引起的疊加在vH上的風速擾動量，其必然會引起轉矩的脈動。半徑、塔架尺寸、高度等參數可以根據實際需要做出靈活調整，以適應不同風力機的模擬。

考慮包含剪切經驗指數α以及r/H對剪切效應等效風速的影響，歸一化等效風速v為平均風速v0和轉轂位置風速vH的比值，并進行仿真分析，仿真結果如圖1所示，其中，0<α<1，0

圖1 風速剪切效應對等效風速的影響Fig.1Impact of wind shear effect on the equivalent wind speed by simulation

1.2 塔影效應

塔影效應是指由于塔架對風分布的影響，造成對風力機捕獲轉矩和功率的影響。資料表明，剪切效應所產生的脈動轉矩僅僅是風速塔影效應的5%左右。塔影效應模型如圖2所示。圖中：y為槳葉到塔架中心的距離；2a為塔架直徑；x為槳葉旋轉平面與塔架中線之間的距離。

圖2 塔影式中的參數尺寸Fig.2Parameters used in tower shadow formula

搭建風吹過塔架時的運動性質的模型為

式中：vtow（ery，x）為疊加在輪轂風速上的風速擾動量；v0為空間風速的平均值。

當a=2 m時，不同塔影效應造成的風速擾動量如圖3所示。

圖3 塔架與槳葉不同距離引起的風速擾動量Fig.3Wind speed variation with different distances between the tower and the blades

由圖3可知，塔影效應所引起的風速擾動量將隨著槳葉旋轉面到塔架中心線的距離x的增大而減小。考慮到剪切效應和塔影效應對風速的影響，在研究風力機模擬時，風場的等效風速由輪轂高度風速、剪切風速和塔影風速3部分構成。

2 異步電動機與風力機特性比較

異步電動機與風力機的特性既相似又不同。

（1）風力機改變風速值能夠使其輸出轉矩（功率）特性發生變化；而異步電動機的轉差s比較小并且利用恒壓頻比的方式控制時，能夠改變電動機角頻率ω使得轉矩（功率）特性發生變化。

（2）風力機的特性曲線與異步電動機的特性曲線形狀比較相似，兩者都擁有最佳轉速，使其輸出功率最大。

（3）轉差s比較小并且供電的角頻率ω恒定時，異步電動機通過恒壓頻比來控制時，異步電動機的轉矩-轉速特性近似為線性關系，功率-轉速特性為平方關系；而風力機其功率（轉矩）-轉速關系不明確，沒有固定的表達式。

由此，異步電動機的轉矩-轉速特性與風力機的轉矩-轉速特性具有一定的相似性，從而為選擇異步電動機模擬風力機的輸出特性提供了理論依據。圖4為異步電動機與風力機的輸出特性，圖中，風力機的輸出特性與異步電動機機械特性擁有3個交點A、B、C，在轉矩（功率）給定的情況下，采取恒壓頻比控制方式，使得風力機輸出特性與異步電機機械特性相交，交點位于異步電動機的轉矩曲線近似線性部分上，便可以模擬風力機的輸出特性。根據圖4還能得出，所選異步電動機的最大轉矩要高于模擬用風力機的最大轉矩。

圖42 種轉矩特性曲線Fig.4Two torque characteristics curves

3 異步電動機矢量控制原理

如圖5所示，在旋轉磁動勢相同的情況下，三相靜止坐標系下的定子交流電流經過坐標變換，異步電動機可以等效為直流電動機。反之，參考直流電動機的控制方式，通過坐標反變換相應地控制異步電動機，即矢量控制[15]。

圖5 異步電動機的坐標變換Fig.5Induction motor conversion of coordinates

4 風力機模擬方案

為驗證異步電動機模擬風力機特性控制方式和理論分析的正確性，在Simulink中建立如圖6所示的風力機模擬系統仿真模型[16]，由成熟的風速數學模型、風力機數學模型、矢量控制模型以及異步電動機組成。異步電機仿真參數見表1。通過對比風力機輸出參考轉矩與模擬系統輸出特性曲線，驗證模擬系統的正確性。模擬自然風速，每一個風速值對應一個輸出轉矩。通過閉環控制使異步電動機輸出轉矩跟隨風力機模型輸出的參考轉矩。電機模塊則附加與時間成正比例變化的轉速。

針對目前風力機模擬方案的不足，著重考慮風力機的剪切效應和塔影效應，對原動機的輸入轉矩進行動態補償，使得模擬風力機與實際風力機的動態響應更為接近。所謂轉矩的動態補償就是計算出風力機氣動轉矩，減去由剪切效應、塔影效應引起的周期性脈動轉矩。故風力機模擬系統的輸出轉矩包含由剪切效應、塔影效應引起的轉矩脈動量，是動態變化的脈動轉矩，從而精確地模擬出實際風力機的動態特性，更接近于實際風力機。

（1）僅考慮穩態特性時，基本風速設為9.0 m/s，模擬隨機風速的響應曲線如圖7所示。

圖6 模擬風力機Te-n特性曲線仿真模型Fig.6Simulation model of wind turbine Te-n curve

圖7 （a）為模擬隨機風速的基本風速9.0 m/s；由圖7（c）可以看出，葉尖速比λ保持在8.5附近波動；由圖7（d）可知，風能利用系數CP的值保持在0.468～0.480之間，而CP的最大值為0.480，故系統的風能利用率很高，實現了風能的最大跟蹤控制。

比較圖7（b）和圖7（e），可以看出，在有小波動的隨機風速情況下，模擬系統的輸出轉矩曲線能夠很好地跟蹤風力機輸出參考轉矩的變化，得到與風力機非常接近的轉矩特性。

（2）模擬的風速初始值為8 m/s，在0.5 s時刻突變為9 m/s，在1.0 s時刻突變為10 m/s，在不考慮槳距角變化的情況下狀態曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，葉尖速比λ基本保持8.5左右，而風能利用系數CP的值初始在0.44左右波動，在0.5 s時刻上升到0.48，到1.0 s時刻又下降到約為0.47。所以，考慮風速剪切效應和塔影效應后，葉尖速比λ和風能利用系數CP的值是有一定波動的。

圖7 隨機風速時的穩態狀態曲線Fig.7Stationary curves of random wind speed

比較圖8（b）和圖8（e）可知，模擬系統的輸出轉矩曲線能夠較好地跟蹤風力機的參考轉矩曲線，誤差較小。

（3）模擬的風速初始值為8 m/s，在0.5 s時刻突變為9 m/s，在1.0 m/s時刻突變為10 m/s，考慮槳距角的變化，其狀態曲線如圖9所示。

圖8 階躍風速時的狀態曲線Fig.8State curves in step wind speed

圖9 考慮槳距角變化時狀態曲線Fig.9State curves considering the change of pitch angle

由圖9可以看出，槳距角β初始值為0，在0.7 s時刻β逐漸變大，最大約為4°，在1.1 s后，槳距角下降為0。由于剪切效應、塔影效應的影響，葉尖速比的值在各個時間段稍有波動；而風能利用系數曲線則受到槳距角開啟的影響，風能利用系數CP初始值為0.445，在0.5 s時刻變為0.480；在0.7 s～1.1 s時刻，由于槳距角的變化，CP值下降，最小值接近0.360；1.1 s后，CP值又上升為0.480左右，說明槳距角的開啟對風能利用系數產生一定影響，風能利用率下降。定轉子電流幅值也會隨著轉矩的變化而變化。

由圖9（b）和圖9（f）可以看出，不管是風速的突變還是槳距角的開啟，模擬輸出轉矩都能較好地跟蹤風力機輸出的參考轉矩的變化，出現的震蕩也符合實際風力機的輸出特性。

4 結語

本文將異步電動機作為原動機，采取矢量控制方案來模擬風力機的動態輸出特性，并在Simulink中搭建了基于異步電動機的風力機模擬系統。仿真結果證明了該模擬方案具有良好的動態實時特性，模擬系統的輸出轉矩特性非常接近真實風力機的輸出轉矩特性，可以此模擬系統搭建模擬平臺，代替實際風力機在實驗室進行風力發電以及并網實驗的研究。

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Scheme on Wind Turbine Dynamic Characteristics Simulation Using Asynchronous Motor

QUAN Hai-liang，DONG Sheng，HAN Xiao-qing
（College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to improve the research of the wind power technology in laboratory，a simulated scheme for the wind turbine characteristics based on the asynchronous motor is proposed in this paper.The vector control technology is used in the scheme and the asynchronous motor can be equivalent to the DC electrical motor.In addition，the ripple aroused by the effect of wind shear and tower shadow is analyzed.The simulation system can simulate the actual wind turbine output characteristics.A wind turbine simulation system is built，which can simulate the dynamic output characteristics of wind turbine at a constant or changing wind speed，and the torque ripple aroused by the effect of wind shear or tower shadow.The simulated results show that the output torques of wind turbine simulated by asynchronous motor could accurately track the output reference torque of actual wind turbine，and verify the feasibility and availability of the proposed scheme.

asynchronous motor；wind turbine；characteristics simulation；vector control；Matlab simulation

TM76

A

1003-8930（2014）09-0035-05

權海亮（1988—），男，碩士研究生，研究方向為微電網的運行與控制。Email：quanhailiang111@163.com

2012-12-11；

2013-05-31

國際科技交流與合作專項項目（2010DFB63200）；山西省國際科技合作計劃項目（2011081054）；山西省科技攻關項目（20120321005-02）

董升（1987—），男，碩士研究生，研究方向為風力發電控制技術。Email：guipan8@163.com

韓肖清（1964—），女，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統運行與控制、新能源技術。Email：hanxiaoqing@tyut. edu.cn