損耗功率對異步電動機模擬風力機特性的影響及優化

李 濱，李 嵐

(太原理工大學，太原 030024)

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損耗功率對異步電動機模擬風力機特性的影響及優化

李 濱，李 嵐

(太原理工大學，太原 030024)

對于風力發電系統的研究，在實驗室條件下，通常采用電動機來模擬風力機。由于電動機存在功率損耗，導致電動機不能準確的模擬風力機，在實驗時將影響風力發電機控制，以及風力機最大風能跟蹤控制策略的研究。基于異步電動機的矢量控制策略，對其風力機特性的模擬控制策略做出優化，提出考慮損耗功率的異步電動機模擬風力機特性的控制策略。此方法通過MATLAB/Simulink建立精確的異步電動機模型，搭建考慮銅耗、鐵耗、機械損耗以及雜散損耗的控制模型，經過仿真驗證了優化后的控制策略的正確性。

異步電動機；損耗功率；風力機特性模擬；控制優化

0 引 言

目前的風力機模擬方案有基于直流電動機和基于異步電動機兩種。后者的變頻調速系統可靠性高，可運用于大功率風電機組的實驗。然而實際運行中其實際輸出轉矩總會低于控制指令轉矩，且偏差較大。這是由于異步機存在損耗功率，且隨著給定風速與電機的轉速的變化功率損耗值也發生改變。在異步機的控制中反饋轉矩不能直接測量，現有的控制策略中都將計算的電磁轉矩作為反饋信號，忽略了功率損耗的存在，這將導致輸出的機械轉矩小于給定轉矩，從而導致異步電機不能完全有效的模擬風力機。因此本文提出考慮損耗功率的異步電動機模擬風力機特性的控制策略，經過MATLAB/Simulink仿真驗證了此方法能準確的模擬風力機特性，為實際實驗提供了堅實的理論依據。

1 風力機模擬的基本理論

1.1 風力機模型

根據空氣動力學，風力機的輸入功率可表達：

(1)

式中：ρ為空氣密度；Sw為風力機葉片迎風掃掠面積；v為進入風力機掃掠面之前的空氣流速。

由于通過風輪旋轉面的風能并非全部都能被風力機吸收，故可定義風能利用系數Cp來表征風力機捕獲風能的能力:

(2)

(3)

(4)

式中：β為槳距角(小于額定風速時為0)；λ為葉尖速比；ω為風輪角速度；R為風輪半徑。

風力機的輸出功率：

(5)

風力機的輸出轉矩為輸出功率Po與風輪轉速ω之比，即：

(6)

式中：To為風力機的輸出轉矩。

1.2 異步電機模擬風力機基本原理

對于風力機與異步電機的特性曲線分析文獻[1]已經做了詳細的研究，得出異步電機可以模擬風力機的結論。其結構如圖1所示。

圖1 風力機模擬平臺示意圖

已知風力機的數學模型，根據給定風速與測得的電機轉速便可計算出風力機的輸出轉矩，用作異步電機的控制信號，使異步電機的輸出轉矩與風力機的輸出轉矩相同，即實現了模擬風力機的目的。

2 損耗存在對風力機模擬的影響與改進方法

2.1 損耗對風力機模擬的影響

在實際運行時，由于異步電機存在功率損耗，且隨著模擬風速變化功率損耗值也發生改變，導致控制方法實際應用時不能準確的得到反饋轉矩值，影響風力機模擬的準確性。

在圖2中，可以清楚的看到在不考慮功率損耗時，異步電機的輸出功率、輸出轉矩明顯低于風力機的輸出功率、輸出轉矩。這是由于損耗功率ploss和損耗轉矩Tloss的存在，導致異步電機不能準確模擬風力機特性。

圖2 不考慮損耗功率的仿真波形

2.2 改進方法

使異步電機與風力機的輸出特性達到完全一致，必須考慮功率損耗對控制方法的影響。若能準確計算出異步電機的輸出轉矩，將其作為控制系統的反饋轉矩，就可通過控制系統使異步電機的輸出特性與風力機的輸出特性達到一致。

本文為了精確的計算出異步電機的輸出轉矩，將鐵耗考慮進電磁轉矩的計算。除去銅耗、鐵耗以及其他損耗的功率與機械角速度相除，便可得到準確的異步電機輸出轉矩。

其計算如下：

電機的機械損耗與雜散損耗pms取50W。

定子銅耗計算模型：

(7)

式中：Is為定子電流；Rs為定子電阻。

轉子銅耗計算模型：

(8)

式中：Ir為定子電流；Rs為定子電阻。

鐵耗計算模型：

(9)

式中：RFe為等效鐵耗電阻；IFe為等效鐵耗電阻電流。

異步電機消耗的總功率：

P=3UsIscosφ

(10)

式中：Us為定子電壓；φ為功率因數角。

異步電機的輸出功率：

(11)

異步電機的輸出轉矩：

(12)

3 考慮損耗功率的異步電機數學模型

若將功率損耗考慮到風力機模擬的控制策略中，必須建立精確的異步電機數學模型，其在同步旋轉d-q軸坐標系下的穩態等效電路如圖3所示。

(a)

(b)

其電流方程:

(13)

式中：idm，iqm，ids，iqs，idr，iqr分別為勵磁電流、定子電流、轉子電流在d,q軸的分量；idFe，iqFe分別為等效鐵耗電阻RqFe在d,q軸上的電流分量。

磁鏈方程：

(14)

式中：ψds，ψqs，ψdr，ψqr分別為定、轉子在d,q軸上的磁鏈分量；L1s，L1r分別為定、轉子漏感；Lm為互感。

電壓方程：

(15)

式中：Uds，Uqs，Udr，Uqr分別為定、轉子在d,q軸上的電壓分量；Rs，Rr，RFes分別為定子電阻、轉子電阻、等效鐵耗電阻；ω1為同步速；ωslip為轉差電角速度；p為微分算子。

電磁轉矩方程：

(16)

式中：Te為雙饋電機的電磁轉矩；p為極對數。

4 仿真研究

為了驗證本文提出思想的正確性，使其與不考慮功率損耗的風力機模擬效果做比較。根據式(13)～式(16)在MATLAB/Simulink中通過S函數建立精確的異步電機模型，根據式(1)～式(6)搭建風力機模型，最終在MATLAB/Simulink中建立風力機模擬系統的仿真模型，如圖4所示。風力機與異步電動機參數如表1所示。

圖4 仿真模型

給定風速波形，如圖5所示。在1s有一個較大的風速上升階躍，在此后的2s，3s處分別有一個較小的風速下降階躍。

圖5 風速波形

不考慮損耗功率的風力機模擬系統，仿真波形如圖6所示。其中圖6(a)、 圖6(b)分別為在不考慮損耗功率電機角速度為120rad/s時，異步電機和風力機輸出功率、輸出轉矩的對比圖，容易看出前者的各個值均低于風力機的輸出值，說明異步電機在沒有考慮損耗功率的情況下并沒有完全的模擬風力機的特性，這將對其他風力發電機組的研究產生影響。驗證了第二節中分析的結果。

表1 風力機模擬系統參數

(a)(b)

圖6 不考慮損耗功率的仿真波形

考慮損耗功率的風力機模擬系統，仿真波形如圖7所示。其中圖7(a)、圖7(b)分別為在不考慮損耗功率電機角速度為120 rad/s時，異步電機和風力機輸出功率、輸出轉矩的對比圖。其中圖7(c)、圖7(d)為考慮功率損耗風速為9 m/s時隨著電機角速度變化，異步電機與風力機的輸出功率、輸出轉矩曲線。容易看出兩者的輸出曲線已基本達到一致，實現了風力機的模擬，驗證了本文思想的正確性。

(a)(b)

(c)(d)

圖7 考慮損耗功率的仿真波形

5 結 語

本文通過分析基于異步電機的風力機模擬系統中風力機與異步電機輸出功率、輸出轉矩曲線的差異，提出了考慮損耗功率的風力機模擬的控制方法。

此方法基于異步電機的精確數學模型，準確計算出異步電機的反饋轉矩，使其能夠精準的模擬風力機特性。為驗證此方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了模擬系統的仿真，并通過對考慮損耗功率的風力機模擬系統與不考慮損耗功率的風力機模擬系統的仿真比較，驗證了本文思想的正確性，實現了風力機特性的準確模擬。本方法對實驗室條件下的風力發電系統研究具有指導性意義。

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Influence of Power Loss on Characteristics of Wind Turbine Simulated by Induction Motor and Its Optimization

LI Bin，LI Lan

(Taiyuan University of Technoloy,Taiyuan 030024,China)

Research on wind power generation system, which under laboratory conditions, the motor is used to simulate the wind turbine generally. Because of power loss, the motor cannot simulate wind turbine accurately, that will affect the control of wind turbine and the study on the control strategy of maximum wind energy tracking. Based on the vector control strategy of asynchronous motor, optimize the simulation of control strategy of wind turbine characteristics and propose the control strategy of asynchronous motor considering the power loss to simulate the characteristics of wind turbine.This method build a precise model of asynchronous motor by MATLAB/Simulink and set up control model considering copper loss, iron loss, mechanical loss and stray loss. The simulation results verify the accuracy of the optimized control strategy.

asynchronous motor; power loss; simulation of wind turbine characteristics; optimization of control system

2015-06-29

TM315;TM343

A

1004-7018(2016)10-0038-03

李濱(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發電。