基于風(fēng)機特性模擬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)*

趙梅花， 阮 毅， 沈 陽， 葉斌英， 趙方平

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

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全球得到了迅猛發(fā)展，許多先進技術(shù)不斷從實驗室走向應(yīng)用現(xiàn)場。要進行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，理想的試驗方法是將發(fā)電機與風(fēng)力機相連，在現(xiàn)場做試驗。但多數(shù)實驗室不具備風(fēng)廠環(huán)境，提供具有實際風(fēng)力機特性的受控對象是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實驗室研究的前提。因此，研究一種新穎的風(fēng)力機模擬系統(tǒng)，模擬不依賴自然風(fēng)力資源和具有實際風(fēng)力機特性的受控環(huán)境，以便進行風(fēng)力機驅(qū)動控制等方面的研究和設(shè)計，提高研發(fā)的效率十分必要［1］。

風(fēng)力機模擬系統(tǒng)應(yīng)具有與實際風(fēng)力機相同的機械特性，可用于設(shè)計、評價和測試實際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。近幾年，對風(fēng)力機模擬技術(shù)的研究逐漸發(fā)展起來，主要包括對風(fēng)速的模擬［2］、變漿距的模擬和對風(fēng)力機特性的模擬。其中風(fēng)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。其中文獻［5］應(yīng)用直流電動機模擬了風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速－功率曲線，但僅為單一風(fēng)速下的模擬;文獻［6］給出了直流電動機模擬風(fēng)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(yōu)運行區(qū)域的運行特性;文獻［7］重點介紹了風(fēng)速變化時直流電動機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況，但缺乏對與發(fā)電系統(tǒng)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(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩特性，深入探討了該模擬特性與整個發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合。首先對風(fēng)力機、直流電動機運行特性進行了分析對比，建立了風(fēng)力機模型，制定了簡單有效的轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩控制模擬方案，搭建了基于數(shù)字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)(XC167CI)的風(fēng)力機模擬平臺，構(gòu)建了包括硬件平臺和監(jiān)控軟件在內(nèi)的完整的直驅(qū)式風(fēng)力機控制系統(tǒng)實驗平臺。本文開發(fā)的風(fēng)力機特性模擬系統(tǒng)應(yīng)用于直驅(qū)式混合勵磁發(fā)電機變速恒頻并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實驗室研究。系統(tǒng)試驗結(jié)果表明:風(fēng)力機特性模擬方案實現(xiàn)簡單、模擬效果優(yōu)良，為實驗室條件下進行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的深入研究創(chuàng)造了條件。

1 直流電動機模擬風(fēng)力機特性的理論依據(jù)

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

1.1 風(fēng)機特性

根據(jù)貝茲(Betz)理論，風(fēng)輪機實際得到的功率與風(fēng)速的三次方有關(guān)。在風(fēng)速ν下運行時，單位時間內(nèi)捕獲的風(fēng)能為

式中:ρ——空氣密度;

R——風(fēng)輪葉片半徑;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)，反映了風(fēng)輪機利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比λ和葉片節(jié)距角?的函數(shù)。

式中:ωT——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機械角速度。

變速恒頻機組正常運行時葉片節(jié)距角?固定，因此，Cp的大小主要決定于λ。

一定風(fēng)速下典型的風(fēng)輪機的 λ－Cp曲線如圖1所示，而不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)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(fēng)速ν，總存在一個最佳的葉尖速比λopt，對應(yīng)著一個最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cpmax。從圖2可以看出，在同一個風(fēng)速下，不同的轉(zhuǎn)速會使風(fēng)力機輸出不同的功率。只要能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使λ始終為λopt，就可使風(fēng)力機運行在最佳功率點上，獲得最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)力機的功率－轉(zhuǎn)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(fēng)力機的最佳功率曲線，只要運行在這條曲線上，風(fēng)力機就能捕獲到最大風(fēng)能。風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩特性和功率特性實質(zhì)是一致的，只是從不同的角度反映了風(fēng)力機的運行特性。

圖1 風(fēng)機的λ-Cp特性曲線

圖2 不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下功率特性

1.2 直流電動機模擬風(fēng)力機的運行原理

(1)直流電動機的靜態(tài)數(shù)學(xué)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(zhuǎn)矩;

CT、Ce——電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)、感應(yīng)電動勢常數(shù);

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(diào)節(jié)電樞電壓U來實現(xiàn)對電動機的調(diào)速，就可以使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩(電樞電流)與電機轉(zhuǎn)速保持一定的關(guān)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(zhuǎn)矩。

由式(4)可知，電動機輸出機械功率與電樞電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成一定關(guān)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速中的任何一個，就可以算出另一個狀態(tài)，并通過電機的調(diào)壓調(diào)速來實現(xiàn)。

由式(3)、式(4)可得:

忽略電樞反應(yīng)，認(rèn)為Φ是常數(shù)，則Pm只與Ua、ω 有關(guān)。

對于風(fēng)機而言，由 Pm=1/2ρπR2Cpν3和 λ =RωT/ν可知，在一定的風(fēng)速下，輸出功率只與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，且由于線性關(guān)系，風(fēng)力機輸出的機械功率與λ-CP曲線相似，即只要知道了轉(zhuǎn)速，就能通過λ-CP曲線算出在該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的風(fēng)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(diào)節(jié)電樞電壓Ua來調(diào)節(jié)ω－ia的關(guān)系，進而實現(xiàn)對風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩特性的模擬。

2 模擬風(fēng)機特性的直流電動機控制策略

通過以上分析可知，風(fēng)機和直流電動機的功率(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩)的作用類似于風(fēng)速ν對風(fēng)力機輸出功率(轉(zhuǎn)矩)的作用。因此，最簡單的風(fēng)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(fēng)速ν的變化。但該方法只模擬了風(fēng)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(fēng)力機特性模擬方法。

用直流電動機模擬風(fēng)力機特性的本質(zhì)是直流電動機輸出功率(轉(zhuǎn)矩)控制，而非常規(guī)的速度控制，這一點非常重要。模擬思路如圖3所示［11］，根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速和檢測的機組轉(zhuǎn)速，通過風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型計算出風(fēng)力機輸出功率(轉(zhuǎn)矩)，然后將其作為直流電動機的控制指令加以控制。

圖3 風(fēng)力機特性模擬思路

根據(jù)式(1)、式(2)可得如圖4所示的風(fēng)力機模型，其輸入信號為風(fēng)速和轉(zhuǎn)速，根據(jù)模擬方案的不同輸出功率或轉(zhuǎn)矩。根據(jù)直流電動機控制對象的不同，可分為功率模擬和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩來分別模擬風(fēng)力機的功率特性或轉(zhuǎn)矩特性。

圖4 風(fēng)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。可按式(6)計算:

從式(6)可以看到，計算Ua需檢測轉(zhuǎn)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(xiàn)復(fù)雜。

在忽略各種損耗情況下，直流電動機的輸出機械轉(zhuǎn)矩Te約等于其電磁轉(zhuǎn)矩TM。從式(3)可知，電樞繞組電流ia和直流電動機的電磁轉(zhuǎn)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(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩特性。轉(zhuǎn)矩模擬方案的控制對象是TM，控制變量為 ia，實現(xiàn)簡單，控制精度高，本文即采用該控制策略。

采用PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)矩模擬方案如圖5所示?？刂扑惴ò▋刹糠?一部分是風(fēng)力機模型的計算，用來求取給定轉(zhuǎn)矩;另一部分是直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制。

圖5 風(fēng)力機特性模擬算法結(jié)構(gòu)

3 基于風(fēng)力機特性模擬的系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)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(fēng)力機特性模擬的直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺，整個系統(tǒng)由風(fēng)力機特性模擬、整流、逆變并網(wǎng)等環(huán)節(jié)組成。

實驗室運行時，將直流電動機與一臺混合勵磁發(fā)電機相連來模擬風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩特性。他勵直流電機參數(shù)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(zhuǎn)速ne=1 500 r/min(157 rad/s)。被模擬的風(fēng)力機模型為［12］

其中，n=5，模型系數(shù)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(jié)構(gòu)圖

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

表1 Cp系數(shù)a

所研究的風(fēng)力機模擬系統(tǒng)一方面要完成模擬風(fēng)力機在不同轉(zhuǎn)速下運行，為達到實驗室對機組轉(zhuǎn)速靜態(tài)和動態(tài)要求，本文采用了轉(zhuǎn)速－電流雙閉環(huán)控制;另一方面，為滿足變速恒頻并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行最大風(fēng)能跟蹤研究的需要，本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制模擬方案來模擬風(fēng)力機在不同轉(zhuǎn)速下的運行狀態(tài)。

(2)模擬過程中整個風(fēng)速范圍系統(tǒng)運行狀態(tài)如表2所示。

(3)試驗結(jié)果及分析。在風(fēng)機特性模擬的基礎(chǔ)上，進行了系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變和最大風(fēng)能跟蹤試驗。其試驗結(jié)果及分析如下。

圖7為風(fēng)速等于6.5 m/s、功率因數(shù)為1時逆變波形，u為電網(wǎng)電壓波形，i為逆變電流的波形。當(dāng)風(fēng)速小于6.5 m/s時，單套系統(tǒng)不能逆變，需兩套逆變系統(tǒng)串聯(lián)工作。

表2 模擬過程中系統(tǒng)運行狀態(tài)

圖7 風(fēng)速ν=6.5 m/s時的逆變波形

圖8為風(fēng)速等于10.5 m/s、功率因數(shù)為1時逆變波形，u為電網(wǎng)電壓波形，i為逆變電流波形。當(dāng)風(fēng)速在11～15 m/s時，系統(tǒng)恒功率輸出，當(dāng)風(fēng)速大于15 m/s時，系統(tǒng)逆變失敗，退出電網(wǎng)。

圖8 風(fēng)速ν=10.5 m/s時的逆變波形

圖9中，n1為風(fēng)速變化對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，n2為發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速。由圖可知，當(dāng)風(fēng)速由7.5 m/s增大到10.5 m/s時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速按同樣的規(guī)律跟隨其增長，轉(zhuǎn)速由750 m/s按線性增加到 1 050 m/s，當(dāng)風(fēng)速由 10.5 m/s 降到 8.5 m/s時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速按同樣的規(guī)律跟隨其下降，轉(zhuǎn)速由1 050 m/s按線性遞減到850 m/s，系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了最大風(fēng)能跟蹤。

圖9 風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)速跟隨波形

圖10中，ν為風(fēng)速的變化曲線，Udc為直流母線電壓的波形。由圖可知，當(dāng)風(fēng)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(fēng)速穩(wěn)定后母線電壓保持穩(wěn)定。

圖10 風(fēng)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(fēng)速范圍內(nèi)，系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)并網(wǎng)逆變和最大風(fēng)能跟蹤，方案的可行性和正確性得到了驗證。

4 結(jié)語

本文分析了風(fēng)力機和直流電動機的運行原理，給出了直流電動機模擬風(fēng)力機的理論依據(jù)。提出了實現(xiàn)簡單、特性優(yōu)良的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制模擬方案，搭建了基于風(fēng)力機特性模擬的直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)軟、硬件試驗平臺，實現(xiàn)了模擬風(fēng)力機在不同風(fēng)速、轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)，成功地完成了直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變和最大風(fēng)能追蹤試驗，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實驗室研發(fā)提供了一條簡單、有效的風(fēng)機模擬途徑。

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