风力机模拟系统4[精选].doc

基于异步电机的风力机模拟实验平台的方案设计 摘要：提出一种风力机模拟研究和实验平台的设计方案，利用异步电动机矢量控制方式驱动发电机运行。利用DSP完成风力机数学模型的数学模拟，并提出矢量控制的方案，最终给出硬件实现的设备选择，为下一步完成实验平台的建设做好铺垫。 关键词：风力机数学模型；三相异步电动机；矢量控制；设备选择 1 引言 风能是一种无污染可再生的绿色能源，为各国政府的重要选择。实验室的先期探索对风力发电技术的发展起着重要的引导作用。但是由于条件的限制大多数实验室不具备风场环境或风力机，这为风力发电技术的实验研究带来了很大困难。因此探讨在实验室条件下，如何模拟风力机特性是深入研究风力发电技术的前提，具有重要的现实意义。 本实验平台设计以异步交流电机模拟风机的方案，构建包括硬件平台和控制软件在内的完整的风力机模拟控制系统。通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统符合实际的风力机特性，用其驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。 2 风力机模拟系统的构成 实际的风力发电系统如图1所示。 图1 实际风力发电系统 在实验室中模拟风力机，也就是将图1中的实际的风力机用风力模拟系统取代，如图2所示。 图2 实验室内风力发电系统图 风力机模拟系统主要包括以下部分： 实时软件模拟器。用于实现风力机数学模型的数字化模拟。 （2）机电随动系统。用以接受来自实时软件模拟器的给定信号，并提供可测量的输出变量作为系统对实时软件模拟器的响应。 图3为实时风力机发电模拟系统结构简化框图。图中输出量x是机电随动系统的参考信号。如果x是转矩参考值，则回馈值为电动机的输出转矩信号；如果x是功率参考值，则回馈值为电动机的输出功率信号。M为原动机，G为发电机。 图3 实时风力机发电模拟系统控制结构图 风力机模拟的本质是通过采取合适的控制策略，使整个风力机模拟系统运行符合实际的风力机特性，用来驱动风力发电机，达到模拟真实自然界中风力发电系统工作的效果。 3 风力机的特性 由空气动力学可知，风力机捕获的风能可表示为： （1） 式中—风力机输出功率; —空气密度； —风轮扫掠面积； —风速； —叶尖速比； —浆叶节距角； —风轮转速； —风轮半径； —风能利用系数。 由风力机从风中捕获的功率为： 可得到风力机输出机械转矩为： （2） 式中，—风力机的机械输出转矩； —转矩系数，. 风能利用系数反映了风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，是表征风力机效率的重要参数，即单位时间内风轮所吸收的风能与穿过叶轮扫掠面的全部风能之比。不同的风力机所对应的曲线是不同的，一般的值由风机厂家给定，作为设计和计算的依据。风能利用系数是叶尖速比和浆距角的函数，即: 其中， 针对本实验系统。 风力机可以分为定浆距与变浆两种，通常，定浆距即风力机的与的关系如下图4所示， 图4 风力机的与曲线 对于一个特定的风力机，具有唯一的一个对应最大的叶尖速比，称为最佳叶尖速比，对应的称为最大风能利用系数。由图可见，当大于或小于时，都小于，使机组效率降低。 由式（1），（2）推导出风力机不同风速下的转矩曲线如下图5a所示，图中不同风速下（v5v4v3v2v1）的对应转矩—转速曲线簇，把每个风速下的最佳转矩点相连，得到风力机的最优转矩曲线，只要运行在该曲线上，风力机即可捕获到最大风能。图5b为风力机的功率特性，把功率—转速曲线簇上的最大功率点相连，构成最佳功率曲线，运行在该曲线亦可捕获最大的风能。 图5 风力机特性曲线 4 风力机模拟系统的模拟方法 在实验室进行风力机特性模拟，主要就是模拟风能转化为机械能这一过程，但在实验室条件中并不具备风场环境或风力机，因此往往采用通过控制直流电机或交流电机转矩来模拟实际的风力机运行情况。 4.1 风速模型 风力作为风力发电机组的原动力，它的变化情况实时影响着整个风力机组的运行状况，因此在实验室开展相关的模拟风力发电系统实验，需要对实际风场的风场风速情况进行准确有效的模拟。 从可实现角度出发，将自然风速简化为4种典型成分，即基本风、阵风、渐变风和随机风。 在风力机正常运行过程中基本风一直存在，它决定了风力发电机向系统输送额定功率的大小，基本上反映了风电场平均风速的变化。在风速变化的过程中，阵风描述风速突然变化的特性。渐变风反映风速的渐变特性。随机风反映风速变化的随机特性。 综合这4种风速成份，可以用4种叠加的风速模型模拟实际作用在风力机上的风速 在以上对风速模型进行理论分析的基础上，可以再MATLAB环境下进行仿