張計(jì)科，王生鐵，劉廣忱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究中，需要隨時(shí)驗(yàn)證不同工況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及控制策略的性能。如果用真實(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅受到季節(jié)變換、氣象條件等因素的限制，難以隨時(shí)隨地驗(yàn)證各種工況，而且成本高。目前普遍采用以各種電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，根據(jù)給定風(fēng)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電動(dòng)機(jī)的輸出特性與實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性相同的風(fēng)力機(jī)模擬器，從而達(dá)到不依賴于自然風(fēng)資源而具有實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性的模擬效果。這種模擬方法不僅可以在同一模擬平臺(tái)上模擬不同特性的風(fēng)力機(jī)，風(fēng)速的變化也可隨意設(shè)定，可大大縮短研究周期，降低開發(fā)成本。

風(fēng)力機(jī)模擬器根據(jù)原動(dòng)機(jī)所采用的電動(dòng)機(jī)不同，一般有直流電動(dòng)機(jī)［1-7］、異步電動(dòng)機(jī)［8-9］、永磁同步電動(dòng)機(jī)［10-11］三類。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、機(jī)械特性為線性且控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，多用于10 kW以下的小功率風(fēng)力機(jī)特性模擬;異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高及經(jīng)久耐用和較同功率直流電動(dòng)機(jī)體積小等優(yōu)點(diǎn)，通過矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的模擬，也可以達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)相媲美的控制性能，較多應(yīng)用于大功率風(fēng)力機(jī)特性模擬;永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量小，而且效率高、工作可靠、調(diào)速性能好，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)特性，也可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性較為理想的模擬。目前國(guó)內(nèi)外所提出的風(fēng)力機(jī)模擬器根據(jù)功率及使用需求不同，三種電動(dòng)機(jī)都有應(yīng)用，而且不同的模擬方法，控制對(duì)象、驅(qū)動(dòng)方式、控制器、控制策略也不盡相同，甚至使用RT-LAB、dSPACE等半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)特性模擬。這些風(fēng)力機(jī)模擬器盡管取得了較好的模擬效果，但大多存在風(fēng)力機(jī)特性和風(fēng)速模型及參數(shù)調(diào)整不便、軟硬件開發(fā)周期較長(zhǎng)的問題。本文從研究小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的需求出發(fā)，針對(duì)以上問題，本著硬件標(biāo)準(zhǔn)化和軟件組態(tài)化的原則，設(shè)計(jì)了基于直流調(diào)速系統(tǒng)和實(shí)時(shí)組態(tài)環(huán)境的風(fēng)力機(jī)模擬器，不僅可以不依賴于自然風(fēng)資源而模擬自然風(fēng)條件下實(shí)際風(fēng)力機(jī)的輸出特性，而且可以使離線仿真和在線運(yùn)行統(tǒng)一在MATLAB/Simulink平臺(tái)下組態(tài)和運(yùn)行，模型及參數(shù)調(diào)整方便，軟件開發(fā)效率高。

1 風(fēng)力機(jī)模型及特性

1.1 數(shù)學(xué)模型

由空氣動(dòng)力學(xué)及貝茨理論可知，風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率:

式中:ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪半徑;v為風(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)。

葉尖速比λ:

式中:ωt為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(1)和式(2)可知，風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩:

式中:CT為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

對(duì)于某種特定型號(hào)的風(fēng)力機(jī)，其Cp-λ曲線和CT-λ曲線分別如圖1(a)和1(b)所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線

1.2 輸出特性

根據(jù)Cp-λ和CT-λ曲線，可計(jì)算得到在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線。圖2為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出特性曲線，其中風(fēng)速關(guān)系為:v1＜v2＜v3＜v4。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性與功率-轉(zhuǎn)速特性實(shí)質(zhì)是一致的，只是從不同的角度反映了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性。

圖2 風(fēng)力機(jī)輸出特性曲線

2 風(fēng)力機(jī)模擬器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

本文主要從研究小型風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模型及參數(shù)調(diào)整方便、軟件開發(fā)效率高的高性能小型風(fēng)力機(jī)模擬平臺(tái)。為此，以包頭天隆永磁電機(jī)公司的FF-1kW/360r/DC56V型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為風(fēng)力機(jī)模擬器設(shè)計(jì)參考，采用基于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方案模擬小型風(fēng)力機(jī)的輸出特性。該風(fēng)力機(jī)構(gòu)型為三葉片、水平軸、上風(fēng)向、尾翼對(duì)風(fēng)。發(fā)電機(jī)是采用高效稀土釹鐵硼永磁材料的三相永磁交流同步發(fā)電機(jī)，具有超低起動(dòng)力矩、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高的特點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)機(jī)組參數(shù)

2.2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

風(fēng)力機(jī)模擬器由直流電動(dòng)機(jī)、直流調(diào)速裝置和控制器等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。風(fēng)力機(jī)模擬器工作原理為:控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)給定風(fēng)速和實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果由風(fēng)力機(jī)模型計(jì)算得到對(duì)應(yīng)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩值，再將該轉(zhuǎn)矩?fù)Q算為相應(yīng)的直流電動(dòng)機(jī)電樞電流作為給定電流，送給直流調(diào)速裝置;直流調(diào)速裝置工作在電流控制模式，通過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)將直流電動(dòng)機(jī)電樞電流調(diào)節(jié)到給定參考電流值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)風(fēng)力機(jī)模型輸出轉(zhuǎn)矩的跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的輸出特性模擬。

圖3 風(fēng)力機(jī)模擬器總體結(jié)構(gòu)

3 風(fēng)力機(jī)模擬器的硬件設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高開發(fā)效率及可靠性，本著硬件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)模擬器的硬件設(shè)計(jì)。

3.1 直流調(diào)速系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)模擬器采用西門子SIMOREG DC Master 6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。該調(diào)速裝置為全數(shù)字控制，可向直流電動(dòng)機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，組成單象限或四象限調(diào)速系統(tǒng)，具有完善的控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)和通信功能。其控制功能模塊化，通過組態(tài)可以靈活方便地構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)自動(dòng)整定及系統(tǒng)優(yōu)化。同時(shí)，它還可以進(jìn)行勵(lì)磁電流恒流調(diào)節(jié)及工作電壓自動(dòng)補(bǔ)償，具有較強(qiáng)的抗干擾性，從而獲得良好的控制性能。

3.2 PC機(jī)及I/O接口

采用個(gè)人計(jì)算機(jī)和研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成風(fēng)力機(jī)模擬器的控制器及I/O接口，可以方便地利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源完成控制算法及界面的組態(tài)及數(shù)據(jù)采集。

PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡為低成本多功能PCI總線卡，可以實(shí)現(xiàn)16路單端或8路差分模擬量輸入、2路模擬量輸出、數(shù)字量輸入和輸出各16路以及1路可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)功能。該板卡支持即插即入功能，可靈活地設(shè)定輸入類型和范圍，采樣速率高，具有FIFO(先入先出)存儲(chǔ)器，方便連續(xù)高速的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)及信號(hào)調(diào)理電路

測(cè)速發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)模擬器中直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過霍爾電壓傳感器及信號(hào)調(diào)理后，轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路原理圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路

4 風(fēng)力機(jī)模擬器的實(shí)時(shí)組態(tài)控制軟件設(shè)計(jì)

為了便于風(fēng)力機(jī)、風(fēng)速模型及參數(shù)調(diào)整，提高編程效率及可靠性，風(fēng)力機(jī)模擬器基于實(shí)時(shí)組態(tài)環(huán)境進(jìn)行控制軟件設(shè)計(jì)。

4.1 實(shí)時(shí)組態(tài)開發(fā)環(huán)境

Real-Time Workshop(RTW)是一個(gè)基于Simulink的MATLAB實(shí)時(shí)控制開發(fā)工具箱，不僅可以直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化、可移植和個(gè)性化的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成在不同的快速原型化實(shí)時(shí)環(huán)境或產(chǎn)品目標(biāo)下運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制程序，而且可以利用其內(nèi)置的Real-Time Windows Target組件通過I/O接口設(shè)備將Simulink環(huán)境與外部設(shè)備無(wú)縫連接，使個(gè)人計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)，Simulink成為實(shí)時(shí)組態(tài)開發(fā)環(huán)境和圖形化實(shí)時(shí)控制平臺(tái)。Real-Time Windows Target使用的實(shí)時(shí)內(nèi)核運(yùn)行在計(jì)算機(jī)CPU的零環(huán)區(qū)，在Windows操作系統(tǒng)之前從計(jì)算機(jī)截取中斷，觸發(fā)Simulink實(shí)時(shí)運(yùn)行模型執(zhí)行，保證Simulink實(shí)時(shí)任務(wù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)淖罡邇?yōu)先級(jí)。

本文基于Simulink的外部模式調(diào)用Real-Time Windows Target組件組成實(shí)時(shí)組態(tài)開發(fā)環(huán)境開發(fā)風(fēng)力機(jī)模擬器的實(shí)時(shí)組態(tài)控制程序。

4.2 實(shí)時(shí)組態(tài)控制程序

為了增加控制程序的可讀性，風(fēng)力機(jī)模型和D/A補(bǔ)償環(huán)節(jié)封裝為子系統(tǒng)，在Simulink環(huán)境下調(diào)用Real-Time Windows Target組件開發(fā)的風(fēng)力機(jī)模擬器的實(shí)時(shí)組態(tài)控制程序如圖5所示。程序采取定步長(zhǎng)采樣控制方式，采樣周期為1 ms。

圖5 風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)時(shí)組態(tài)控制程序框圖

4.3 主要模塊實(shí)現(xiàn)方法

圖6 風(fēng)力機(jī)模型程序框圖

風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)時(shí)組態(tài)控制程序中的風(fēng)機(jī)模型依據(jù)式(1)～式(3)搭建，如圖6所示。其中，為了精確表示不同葉尖速比下的轉(zhuǎn)矩特性系數(shù)GT值，采用15次多項(xiàng)式擬合的方法獲得數(shù)據(jù)，該多項(xiàng)式系數(shù)如表2所示。

此外，為了補(bǔ)償D/A輸出的零點(diǎn)漂移及量程調(diào)節(jié)，程序中增加了D/A輸出補(bǔ)償模塊。

表2 轉(zhuǎn)矩特性多項(xiàng)式系數(shù)

5 風(fēng)力機(jī)模擬器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

加工制作完信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路板后，將計(jì)算機(jī)、西門子直流調(diào)速裝置、直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等連接起來(lái)分別進(jìn)行模塊級(jí)及系統(tǒng)級(jí)軟硬件調(diào)試。為便于測(cè)試，這里采用電子負(fù)載恒壓控制模式調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)-永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬器輸出特性工作點(diǎn)的求取。風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

5.2 靜態(tài)輸出特性

在額定風(fēng)速及以下，對(duì)應(yīng)恒定風(fēng)速5 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s的風(fēng)力機(jī)輸出特性曲線如圖8所示。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬，其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖8 風(fēng)力機(jī)模擬器靜態(tài)輸出特性曲線

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，假定小型風(fēng)力機(jī)具有折尾翼特性或其他調(diào)節(jié)裝置時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率被限制在額定功率以內(nèi)或附近。對(duì)于這些風(fēng)力機(jī)特性曲線本文未模擬。

5.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

由于自然風(fēng)是隨機(jī)變化的，本文采用風(fēng)速四風(fēng)量組合模型模擬自然風(fēng)來(lái)驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)特性［12］。風(fēng)速模型中，基本風(fēng)速 Vwb=7 m/s;陣風(fēng)最大風(fēng)速Vwg=2 m/s，陣風(fēng)開始時(shí)間tg1=50 s，結(jié)束時(shí)間tg2=80 s;漸變風(fēng)最大風(fēng)速Vwr=2 m/s，漸變風(fēng)開始時(shí)間tr1=120 s，上升終止時(shí)間tr2=160 s;保持時(shí)間tr=10 s，隨機(jī)干擾風(fēng)擾動(dòng)幅度為2 m/s。實(shí)驗(yàn)中通過電子負(fù)載的恒壓模式保持永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定，來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)-永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速基本恒定，從而測(cè)取風(fēng)力機(jī)模擬器輸出功率。

風(fēng)速曲線和風(fēng)力機(jī)模擬器輸出功率曲線如圖9所示。由圖9中可知，風(fēng)力機(jī)模擬器的輸出功率隨著風(fēng)速的變化也有規(guī)律地發(fā)生變化，表明風(fēng)力機(jī)模擬器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖9 風(fēng)力機(jī)模擬器動(dòng)態(tài)特性曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

本文主要從研究小型風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于直流調(diào)速系統(tǒng)和實(shí)時(shí)組態(tài)環(huán)境的風(fēng)力機(jī)模擬器，并對(duì)恒風(fēng)速下風(fēng)機(jī)模擬器的輸出靜態(tài)特性和風(fēng)速變化情況下風(fēng)機(jī)模擬器的輸出動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)力機(jī)模擬器可以不依賴于自然風(fēng)資源而較為精準(zhǔn)地模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)的輸出特性，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制簡(jiǎn)單、編程方便、界面友好的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)室研究小型風(fēng)力發(fā)電提供了一個(gè)不依賴于自然風(fēng)資源而具有實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性模擬效果的高性能、高效率的風(fēng)力機(jī)模擬平臺(tái)。

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