作者：李建林 ， 高志剛 ， 付勛波

1 引言

目前風能是發展最快、最具競爭力的新能源之一。因此，風力發電成為各國學者研究的重點。近年來，風力發電技術的各個方面都得到了迅速的發展，各種新式的風力發電機、功率變流器、最大功率跟蹤算法、先進控制技術等都得到了廣泛的應用。大多數實驗室都沒有風電場或風力機，這很不利于對一些新式理論和技術的驗證，為了加強風力發電技術的研發能力，有必要發展一種能在實驗室模擬風力機特性的技術來簡化目前風力發電系統研究的實驗過程，加速新方法、新技術的研究周期。風力機模擬器（windturbinesimulator，WTS）可以在不依耐于環境和風力機的情況下模擬風力機特性，可以模擬不同的特性的風力機，而且可以任意設定風速的變化曲線，方便了實驗室對風力發電系統的研究。風力機模擬裝置可以用于風力發電系統及其部件的開發和測試。

由于異步電動機具有穩定性好，維修費用低，工作時間長，且價格相對便宜等優勢，因此，實驗室采用異步電動即進行風力機模擬器的載體。然而，異步電動機的控制相對復雜也是為大家所熟知的，本文采用Vacon公司的NX系列變頻器，實現了對異步電動機的“理想控制”，從而使異步機輸出曲線與風力機輸出曲線吻合，達到了模擬風力機特性的目的，同時，借助與Vacon公司變頻器的強大編程能力，模擬不同的風力機只需要改變相應的參數就可以實現，應用簡單、方便。

2 風力機特性研究

根據空氣動力學可以知道，風力機的輸入功率是：

其中：ρ為空氣密度，A為風力機葉片掃掠面積，RW為葉片的半徑，v為風速。

風力機的輸出功率為：

其中CP為風能利用系數：

風能利用系數CP為風力機將風能轉換為機械能的效率，它與風速，葉片轉速，葉片直徑和槳葉節距角均有關系，是葉尖速比λ和槳葉節距角β的函數。

葉尖速比λ是風輪葉尖速度與風速之比：

圖1風力機葉尖速比與風能利用系數關系曲線

由圖1可以看出，對于一臺確定的風力機，在一定風速和槳距角時，存在一個最大風能轉換系數，此時風力機輸出功率最佳。因此，在某一風速下，調節風力機轉速，使其運行在最佳葉尖速比條件下，就可以達到最大風能捕獲的目的。

對于風力系統來說，輸入機械轉矩特性非常重要，與之相對應的是風力機輸出功率與機械角速度之間的關系曲線，如圖2所示。

圖2風力機輸出機械功率和機械角速度間的關系曲線

3 風力機模擬器原理

圖3風力機數學模型

將此時的轉矩給定作為異步電動機的轉矩給定，保持異步電動機輸出轉矩與給定相同，即可實現此時的風力機模擬功能，因此風力即模擬器的原理框圖可以用如下圖4所示的框圖表示。

圖4風力機模擬器原理框圖

實驗中采用芬蘭VaconNX系列變頻器來對異步電動機進行控制，VaconNX系列變頻器是高性能矢量控制通用變頻器。它具有如下特點：

（1）采用先進的矢量控制算法，對電機磁通電流和轉矩電流分別進行解耦控制，配合電機參數設定，動態補償負載波動，能實現電機轉矩的快速響應和準確控制，具有極高的穩速精度和快速動態響應，能滿足各類高性能場合的傳動控制要求。

（2）VACON變頻器具有開放的可編程功能，編程工具VaconNC11313Engineering是一個符合IEC611131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設計VaconNX特殊的控制邏輯和參數。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NCl131-3可以創建參數，故障信息和其他與應用相關的特性。自帶LCD鍵盤，不僅能夠顯示運行數據和故障代碼，還能進行參數的拷貝和下載功能，非常方便調試和后期維護。

（3）多種擴展卡滿足用戶需要。

（4）內置RS-485接口，通過擴展板可以接入符合國際標準的ProfiBusDP、ModBus現場總線控制系統，滿足日后組網要求。

（5）瘦長、節省空間的設計，安裝靈活，集成了RFI濾波器能夠滿足工業等級斜坡防護要求。

實驗中，模擬風速為4、5、6、7和8m/s風力機特性如圖5所示，圖6為相應的參考轉矩曲線，可以看出，參考轉矩隨風速的不同而作相應變化。圖7為異步電動機輸出的轉矩曲線。

圖5風速曲線

圖6參考轉矩曲線

從圖7可以看出，該方案能很好的模擬最佳轉速曲線，能很快的響應風速的變化，除了在啟動時有一些波動外，對風力機最佳轉矩曲線模擬得很好。這一結果依賴于VaconNX變頻器良好的調速性能和快速的相應能力。

圖7轉矩曲線

4 結束語

本文搭建了風力機的數學模型，介紹了一種基于異步電動機的由VaconNX變頻器控制的風力機模擬器方案。實際運行結果表明，在正確的數學模型支撐下，給定正確的參考力矩，VaconNX變頻器便可以精確、高性能控制后續異步電動機的轉速和轉矩，達到了良好的風力機模擬效果。為實驗室對風力發電技術現場問題的研究提高了條件，且由于VaconNX變頻器出色的編程能力，在模擬不同的風力機特性時只需要改變相應參數即可，大大方便了實驗室應用。

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