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近幾十年來(lái)，隨著(zhù)風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，單機容量越來(lái)越大，但由于風(fēng)力機系統的控制非常復雜，要提高其控制性能，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，最理想的實(shí)驗方法是將發(fā)電機與風(fēng)機直接相連，但是這樣的實(shí)驗既耗時(shí)間又浪費金錢(qián)。所以針對實(shí)驗室環(huán)境研究而言，往往需采用計算機仿真技術(shù)，對實(shí)際的風(fēng)力機、風(fēng)力發(fā)電機等進(jìn)行仿真模擬，并不斷修正改進(jìn)控制策略，以提高風(fēng)力發(fā)電機組實(shí)際環(huán)境下的運行性能。因此對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行模擬仿真研究，具有重要的現實(shí)意義。 目前，關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗室模擬系統，可以劃分為直流電機模擬試驗系統和交流電機模擬試驗系統。在以交流電機作為原動(dòng)機的模擬試驗系統中，目前的模擬方法大都只能實(shí)現穩態(tài)模擬，即使有動(dòng)態(tài)模擬的，也都是直接模擬氣動(dòng)轉矩，讓原動(dòng)機輸出轉矩與風(fēng)輪氣動(dòng)轉矩相等。本文提出一種基于異步電動(dòng)機直接轉矩控制的風(fēng)力機風(fēng)輪動(dòng)態(tài)模擬方法。這種模擬方法是通過(guò)模擬風(fēng)力機風(fēng)輪的加速度來(lái)達到模擬風(fēng)力機的目的。采用該方法，模擬不同的風(fēng)力機風(fēng)輪不需要更換復雜的機械聯(lián)動(dòng)裝置，直接更改軟件參數就可以實(shí)現動(dòng)態(tài)的模擬風(fēng)力機風(fēng)輪。 1 風(fēng)力機和風(fēng)速模型 1．1 風(fēng)力機模型 在現實(shí)實(shí)驗中，風(fēng)力機模型可用其輸入風(fēng)力轉矩特性來(lái)描述， 式中：Ta為風(fēng)輪產(chǎn)生的氣動(dòng)轉矩，N·m；p為空氣密度，kg·m-3；A為槳葉掃掠的面積，m2；R是風(fēng)輪半徑，m；CT(λ)為風(fēng)輪轉矩系數；λ為葉尖速比；v為風(fēng)速，m·s-1。 根據文獻所述，風(fēng)輪轉矩系數隨角速度的變化而變化且呈非線(xiàn)性關(guān)系。CT(λ)曲線(xiàn)的峰值為系統穩定和不穩定的分界點(diǎn)，在最大風(fēng)能捕獲時(shí)應考慮不要越過(guò)此點(diǎn)進(jìn)入不穩定區域。 假設風(fēng)輪的慣量為Ja，kg·m2；阻力系數為Da，kg·m2·s-2。轉動(dòng)角速度為ωa，rad·s-1。等效阻力矩為T(mén)c，N·m；輸出轉矩為T(mén)L，N·m；則 1．2 風(fēng)速模型 根據文獻所述，風(fēng)速由四部分組成，即基本風(fēng)速，漸變風(fēng)速，陣風(fēng)和噪聲風(fēng)。其中基本風(fēng)速用于描述特定風(fēng)場(chǎng)的穩態(tài)能量，漸變風(fēng)用于描述風(fēng)場(chǎng)穩態(tài)能量隨時(shí)間的緩慢變化過(guò)程，陣風(fēng)和噪聲風(fēng)用于描述風(fēng)場(chǎng)風(fēng)能的擾動(dòng)和不確定因素。在MATLAB／simulink中，由于白噪聲與風(fēng)速的相似性，故用下列方程來(lái)代表風(fēng)速： 式中：vwind是模擬的風(fēng)速；m(t)是白噪聲；Tv=9sec是時(shí)間常數；a=10．5m／s時(shí)是基本風(fēng)速。建立了風(fēng)速發(fā)生器仿真模型，由風(fēng)速發(fā)生器產(chǎn)生的隨機風(fēng)波形如圖l所示。 2 設計方案及仿真研究 2．1 模擬思想 關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗室模擬系統，根據系統所具有的特性不同，又可劃分為靜態(tài)特性模擬系統和動(dòng)態(tài)特性模擬系統。風(fēng)力機的靜態(tài)模擬離風(fēng)力發(fā)電機的真實(shí)運行情況相差較大，不利于控制系統動(dòng)態(tài)特性研究。目前，對風(fēng)力發(fā)電機動(dòng)態(tài)特性的模擬主要有兩種方式：其一是通過(guò)附加硬件進(jìn)行模擬；其二是通過(guò)計算機軟件進(jìn)行模擬。 采用附加硬件進(jìn)行模擬的如采用附加飛輪的辦法模擬風(fēng)力機較大的慣性作用。但這種方法建立的一套硬件模擬系統僅能模擬一種型號的風(fēng)機，缺乏靈活性。 采用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，主要是在根據風(fēng)力機空氣動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生原動(dòng)機的轉矩或者功率時(shí)，加入了轉動(dòng)慣量、摩擦系數、彈性等動(dòng)態(tài)環(huán)節，從而實(shí)現了對原動(dòng)機響應的動(dòng)態(tài)修正，進(jìn)而使其模擬風(fēng)力機的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應特性。對于塔影效應和風(fēng)剪效應的模擬，通常是通過(guò)對模擬風(fēng)速進(jìn)行修正或對原動(dòng)機指令轉矩進(jìn)行修正的方法實(shí)現的。本文所用的方法不是直接模擬其輸出氣動(dòng)轉矩，而是模擬其加速度。在模擬裝置中用一臺直接轉矩控制的異步電動(dòng)機作原動(dòng)機，如果負載和風(fēng)速不變，在實(shí)際風(fēng)力機系統和模擬系統中，他們在相同的轉速下具有相同的加速度，那么模擬系統就可以達到模擬風(fēng)力機機械特性的目的。這就是本文提出的模擬思想。 在風(fēng)力機系統中，由式(2)可得 J為電機的轉動(dòng)慣量，kg·m2；np為極對數，TL為負載轉矩，N·m；Te為電機電磁轉矩，N·m；ωr為電角速度。 在模擬裝置中，由檢測到的電機轉速，在給定的風(fēng)力機特性曲線(xiàn)中查到風(fēng)力機風(fēng)輪在該風(fēng)速和轉速下的氣動(dòng)轉矩Ta，代入式(7)，計算出異步電機的指令電磁轉矩。只要滿(mǎn)足式(7)，那么模擬系統的轉速和加速度就與實(shí)際風(fēng)力機系統中的一樣。 2．2 控制實(shí)現方法 由式(7)知，要計算Te需知道Ta和TL，Ta可由轉速查表得到，而總負載TL不能直接測得，只能采取間接檢測的方法。t2時(shí)刻電機的電磁指令為： 由式(8)可知，只要測量電機的轉速就可以得到電機的指令電磁轉矩，不用另測總負載轉矩。因此，在模擬系統和實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統具有相同的風(fēng)速、初始轉速和負載的情況下，原動(dòng)機與風(fēng)力機就具有相同的速度和加速度。 2．3 風(fēng)力發(fā)電系統仿真研究 建立風(fēng)力發(fā)電系統模擬系統的仿真，仿真過(guò)程為帶載啟動(dòng)，電機附加一定值的負載轉矩，轉速給定變化采用給定50N·m的負載轉矩，轉矩與轉速的示意圖如圖2所示，轉矩與轉速的關(guān)系如圖3所示，轉矩與轉速的理論示意圖如圖4所示。圖3波形表征了轉矩與轉速的關(guān)系曲線(xiàn)，也就表征了異步電機對風(fēng)輪機的模擬情況，與理論情況相一致，通過(guò)仿真結果說(shuō)明模型的建立是正確的。 3 硬件部分設計 本實(shí)驗所采用的是單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型級聯(lián)型變頻器，采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出。該變頻器對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數高，不必采用輸入濾波器和功率因數補償裝置。輸出的波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪聲，可以使用普通的異步電動(dòng)機。 變頻器分為A、B、C三相，每相有5個(gè)功率單元，整體采用的是核心板加功率單元的控制結構，兩部分均是DSP+FPGA的主控制板，核心板與功率單元通過(guò)光纖相連。功率單元的主控板與IGBT采用光藕隔離器件相連，這樣可以有效防止線(xiàn)路串擾以及其它各種干擾。變頻器控制示意圖見(jiàn)圖5。 4 實(shí)驗結果 根據本文提出的風(fēng)力機風(fēng)輪模擬系統以及控制方法進(jìn)行了模擬。實(shí)驗所模擬的是風(fēng)速為12m／s的風(fēng)機，變頻器輸出電壓的頻率變化如圖6所示。三相線(xiàn)電壓的波形如圖7所示。 5 結束語(yǔ) 本文在總結目前風(fēng)輪模擬器的基礎上提出了基于直接轉矩控制的異步電動(dòng)機的風(fēng)力機風(fēng)輪模擬裝置，仿真結果表明本文所提出的方法可以很好地模擬風(fēng)機的機械特性，而且該方法只需在改變軟件參數的情況下模擬不同類(lèi)型的風(fēng)機�；诋惒诫妱�(dòng)機的風(fēng)力機模擬方法，可為實(shí)驗室環(huán)境下進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電系統提供基礎。 |
