權(quán)海亮，董升，韓肖清

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原030024）

由異步電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性的方案

權(quán)海亮，董升，韓肖清

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原030024）

為了更好地在實(shí)驗室條件下對風(fēng)電技術(shù)進(jìn)行研究，提出了采用異步電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)工作的方案。應(yīng)用矢量控制技術(shù)將異步電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分析剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)對風(fēng)速引起的擾動，建立風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，在恒風(fēng)速、變風(fēng)速和計及剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)引起轉(zhuǎn)矩脈動的情況下對風(fēng)力機(jī)的輸出特性進(jìn)行Matlab仿真。仿真結(jié)果表明，采用異步電動機(jī)模擬的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能夠很好地跟蹤實(shí)際風(fēng)力機(jī)的輸出參考轉(zhuǎn)矩，驗證了該方案的可行性。

異步電動機(jī)；風(fēng)力機(jī)；特性模擬；矢量控制；Matlab仿真

近年來，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風(fēng)能和太陽能的開發(fā)利用已經(jīng)得到世界各國的關(guān)注[1]。要進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的研究，最理想的途徑是在現(xiàn)場做實(shí)驗，但受現(xiàn)場和氣候因素等條件的限制，有必要在實(shí)驗室搭建能夠模擬風(fēng)機(jī)特性的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗平臺，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗室條件下進(jìn)行各種工況風(fēng)力發(fā)電的研究。

目前，風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的相關(guān)研究逐漸增多，根據(jù)所采用原動電機(jī)的不同，風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)分為直流電動機(jī)[2-3]、異步電動機(jī)[4-8]和永磁同步電動機(jī)[9]3類。為建立更精確的風(fēng)力機(jī)模型，有必要詳細(xì)研究剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)所產(chǎn)生的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動影響。文獻(xiàn)[3]利用直流電動機(jī)對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬研究，考慮的因素比較簡單，理論說服性不強(qiáng)；文獻(xiàn)[4]從異步電機(jī)的角度出發(fā)建立風(fēng)力機(jī)仿真平臺，對不變風(fēng)速和變風(fēng)速進(jìn)行了簡單的模擬，對風(fēng)力機(jī)的動態(tài)特性研究的深度不夠；文獻(xiàn)[10]采用解析表達(dá)式法計算出所需要模擬的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，考慮了包含由塔影效應(yīng)和剪切效應(yīng)所造成脈動轉(zhuǎn)矩的影響；文獻(xiàn)[11]以直流電動機(jī)作為原動機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的模擬研究，論述了風(fēng)力機(jī)的剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)和風(fēng)力機(jī)大慣量特性，提出了轉(zhuǎn)矩指令動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪M方案，對剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)分別進(jìn)行研究，得出恒定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩包含了周期性脈動量，且此脈動量一般由剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)引起，而轉(zhuǎn)矩脈動的頻率是風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率與槳葉數(shù)的乘積；文獻(xiàn)[12]定性研究了剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)所引起的轉(zhuǎn)矩脈動，考慮了其對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的影響。

本文結(jié)合上述文獻(xiàn)，采用基于矢量控制的異步電動機(jī)作為原動機(jī)，搭建風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，從風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性角度出發(fā)，分析了剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)對風(fēng)場風(fēng)速的擾動量，在恒風(fēng)速、變風(fēng)速和計及剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)引起轉(zhuǎn)矩脈動的情況下，考慮槳距角的變化，對風(fēng)力機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，通過理論分析和仿真驗證了該模擬方案的可行性。

1 風(fēng)力機(jī)的動態(tài)特性分析

1.1 剪切效應(yīng)

剪切效應(yīng)是指風(fēng)速隨高度變化的特性對風(fēng)力機(jī)捕獲轉(zhuǎn)矩和功率的影響。剪切效應(yīng)產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩一般是風(fēng)力機(jī)的各片槳葉不斷地旋轉(zhuǎn)所經(jīng)歷的風(fēng)速狀況不同而形成的，常見的剪切模型為

式中：r為槳葉的葉素與轉(zhuǎn)軸中點(diǎn)之間的徑向距離；θ為方位角；vH為轉(zhuǎn)轂位置的風(fēng)速；Ws為剪切函數(shù)；α為剪切經(jīng)驗指數(shù)；H為轉(zhuǎn)轂處高度；Ws（r，θ）是由剪切效應(yīng)所引起的疊加在vH上的風(fēng)速擾動量，其必然會引起轉(zhuǎn)矩的脈動。半徑、塔架尺寸、高度等參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要做出靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同風(fēng)力機(jī)的模擬。

考慮包含剪切經(jīng)驗指數(shù)α以及r/H對剪切效應(yīng)等效風(fēng)速的影響，歸一化等效風(fēng)速v為平均風(fēng)速v0和轉(zhuǎn)轂位置風(fēng)速vH的比值，并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖1所示，其中，0<α<1，0

圖1 風(fēng)速剪切效應(yīng)對等效風(fēng)速的影響Fig.1Impact of wind shear effect on the equivalent wind speed by simulation

1.2 塔影效應(yīng)

塔影效應(yīng)是指由于塔架對風(fēng)分布的影響，造成對風(fēng)力機(jī)捕獲轉(zhuǎn)矩和功率的影響。資料表明，剪切效應(yīng)所產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩僅僅是風(fēng)速塔影效應(yīng)的5%左右。塔影效應(yīng)模型如圖2所示。圖中：y為槳葉到塔架中心的距離；2a為塔架直徑；x為槳葉旋轉(zhuǎn)平面與塔架中線之間的距離。

圖2 塔影式中的參數(shù)尺寸Fig.2Parameters used in tower shadow formula

搭建風(fēng)吹過塔架時的運(yùn)動性質(zhì)的模型為

式中：vtow（ery，x）為疊加在輪轂風(fēng)速上的風(fēng)速擾動量；v0為空間風(fēng)速的平均值。

當(dāng)a=2 m時，不同塔影效應(yīng)造成的風(fēng)速擾動量如圖3所示。

圖3 塔架與槳葉不同距離引起的風(fēng)速擾動量Fig.3Wind speed variation with different distances between the tower and the blades

由圖3可知，塔影效應(yīng)所引起的風(fēng)速擾動量將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)面到塔架中心線的距離x的增大而減小?？紤]到剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)對風(fēng)速的影響，在研究風(fēng)力機(jī)模擬時，風(fēng)場的等效風(fēng)速由輪轂高度風(fēng)速、剪切風(fēng)速和塔影風(fēng)速3部分構(gòu)成。

2 異步電動機(jī)與風(fēng)力機(jī)特性比較

異步電動機(jī)與風(fēng)力機(jī)的特性既相似又不同。

（1）風(fēng)力機(jī)改變風(fēng)速值能夠使其輸出轉(zhuǎn)矩（功率）特性發(fā)生變化；而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差s比較小并且利用恒壓頻比的方式控制時，能夠改變電動機(jī)角頻率ω使得轉(zhuǎn)矩（功率）特性發(fā)生變化。

（2）風(fēng)力機(jī)的特性曲線與異步電動機(jī)的特性曲線形狀比較相似，兩者都擁有最佳轉(zhuǎn)速，使其輸出功率最大。

（3）轉(zhuǎn)差s比較小并且供電的角頻率ω恒定時，異步電動機(jī)通過恒壓頻比來控制時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性近似為線性關(guān)系，功率-轉(zhuǎn)速特性為平方關(guān)系；而風(fēng)力機(jī)其功率（轉(zhuǎn)矩）-轉(zhuǎn)速關(guān)系不明確，沒有固定的表達(dá)式。

由此，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性具有一定的相似性，從而為選擇異步電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的輸出特性提供了理論依據(jù)。圖4為異步電動機(jī)與風(fēng)力機(jī)的輸出特性，圖中，風(fēng)力機(jī)的輸出特性與異步電動機(jī)機(jī)械特性擁有3個交點(diǎn)A、B、C，在轉(zhuǎn)矩（功率）給定的情況下，采取恒壓頻比控制方式，使得風(fēng)力機(jī)輸出特性與異步電機(jī)機(jī)械特性相交，交點(diǎn)位于異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線近似線性部分上，便可以模擬風(fēng)力機(jī)的輸出特性。根據(jù)圖4還能得出，所選異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩要高于模擬用風(fēng)力機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

圖42 種轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.4Two torque characteristics curves

3 異步電動機(jī)矢量控制原理

如圖5所示，在旋轉(zhuǎn)磁動勢相同的情況下，三相靜止坐標(biāo)系下的定子交流電流經(jīng)過坐標(biāo)變換，異步電動機(jī)可以等效為直流電動機(jī)。反之，參考直流電動機(jī)的控制方式，通過坐標(biāo)反變換相應(yīng)地控制異步電動機(jī)，即矢量控制[15]。

圖5 異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換Fig.5Induction motor conversion of coordinates

4 風(fēng)力機(jī)模擬方案

為驗證異步電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性控制方式和理論分析的正確性，在Simulink中建立如圖6所示的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)仿真模型[16]，由成熟的風(fēng)速數(shù)學(xué)模型、風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型、矢量控制模型以及異步電動機(jī)組成。異步電機(jī)仿真參數(shù)見表1。通過對比風(fēng)力機(jī)輸出參考轉(zhuǎn)矩與模擬系統(tǒng)輸出特性曲線，驗證模擬系統(tǒng)的正確性。模擬自然風(fēng)速，每一個風(fēng)速值對應(yīng)一個輸出轉(zhuǎn)矩。通過閉環(huán)控制使異步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩跟隨風(fēng)力機(jī)模型輸出的參考轉(zhuǎn)矩。電機(jī)模塊則附加與時間成正比例變化的轉(zhuǎn)速。

針對目前風(fēng)力機(jī)模擬方案的不足，著重考慮風(fēng)力機(jī)的剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)，對原動機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使得模擬風(fēng)力機(jī)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)的動態(tài)響應(yīng)更為接近。所謂轉(zhuǎn)矩的動態(tài)補(bǔ)償就是計算出風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩，減去由剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)引起的周期性脈動轉(zhuǎn)矩。故風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩包含由剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動量，是動態(tài)變化的脈動轉(zhuǎn)矩，從而精確地模擬出實(shí)際風(fēng)力機(jī)的動態(tài)特性，更接近于實(shí)際風(fēng)力機(jī)。

（1）僅考慮穩(wěn)態(tài)特性時，基本風(fēng)速設(shè)為9.0 m/s，模擬隨機(jī)風(fēng)速的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖6 模擬風(fēng)力機(jī)Te-n特性曲線仿真模型Fig.6Simulation model of wind turbine Te-n curve

圖7 （a）為模擬隨機(jī)風(fēng)速的基本風(fēng)速9.0 m/s；由圖7（c）可以看出，葉尖速比λ保持在8.5附近波動；由圖7（d）可知，風(fēng)能利用系數(shù)CP的值保持在0.468～0.480之間，而CP的最大值為0.480，故系統(tǒng)的風(fēng)能利用率很高，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大跟蹤控制。

比較圖7（b）和圖7（e），可以看出，在有小波動的隨機(jī)風(fēng)速情況下，模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線能夠很好地跟蹤風(fēng)力機(jī)輸出參考轉(zhuǎn)矩的變化，得到與風(fēng)力機(jī)非常接近的轉(zhuǎn)矩特性。

（2）模擬的風(fēng)速初始值為8 m/s，在0.5 s時刻突變?yōu)? m/s，在1.0 s時刻突變?yōu)?0 m/s，在不考慮槳距角變化的情況下狀態(tài)曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，葉尖速比λ基本保持8.5左右，而風(fēng)能利用系數(shù)CP的值初始在0.44左右波動，在0.5 s時刻上升到0.48，到1.0 s時刻又下降到約為0.47。所以，考慮風(fēng)速剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)后，葉尖速比λ和風(fēng)能利用系數(shù)CP的值是有一定波動的。

圖7 隨機(jī)風(fēng)速時的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)曲線Fig.7Stationary curves of random wind speed

比較圖8（b）和圖8（e）可知，模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線能夠較好地跟蹤風(fēng)力機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩曲線，誤差較小。

（3）模擬的風(fēng)速初始值為8 m/s，在0.5 s時刻突變?yōu)? m/s，在1.0 m/s時刻突變?yōu)?0 m/s，考慮槳距角的變化，其狀態(tài)曲線如圖9所示。

圖8 階躍風(fēng)速時的狀態(tài)曲線Fig.8State curves in step wind speed

圖9 考慮槳距角變化時狀態(tài)曲線Fig.9State curves considering the change of pitch angle

由圖9可以看出，槳距角β初始值為0，在0.7 s時刻β逐漸變大，最大約為4°，在1.1 s后，槳距角下降為0。由于剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)的影響，葉尖速比的值在各個時間段稍有波動；而風(fēng)能利用系數(shù)曲線則受到槳距角開啟的影響，風(fēng)能利用系數(shù)CP初始值為0.445，在0.5 s時刻變?yōu)?.480；在0.7 s～1.1 s時刻，由于槳距角的變化，CP值下降，最小值接近0.360；1.1 s后，CP值又上升為0.480左右，說明槳距角的開啟對風(fēng)能利用系數(shù)產(chǎn)生一定影響，風(fēng)能利用率下降。定轉(zhuǎn)子電流幅值也會隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。

由圖9（b）和圖9（f）可以看出，不管是風(fēng)速的突變還是槳距角的開啟，模擬輸出轉(zhuǎn)矩都能較好地跟蹤風(fēng)力機(jī)輸出的參考轉(zhuǎn)矩的變化，出現(xiàn)的震蕩也符合實(shí)際風(fēng)力機(jī)的輸出特性。

4 結(jié)語

本文將異步電動機(jī)作為原動機(jī)，采取矢量控制方案來模擬風(fēng)力機(jī)的動態(tài)輸出特性，并在Simulink中搭建了基于異步電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了該模擬方案具有良好的動態(tài)實(shí)時特性，模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩特性非常接近真實(shí)風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性，可以此模擬系統(tǒng)搭建模擬平臺，代替實(shí)際風(fēng)力機(jī)在實(shí)驗室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電以及并網(wǎng)實(shí)驗的研究。

[1]Gertmar L，Liljestrand L，Lendenmann H.Wind energy powers-that-be success or generation in globalization[J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（1）：13-28.

[2]卞松江，潘再平，賀益康（Bian Songjiang，Pan Zaiping，He Yikang）.風(fēng)力機(jī)特性的直流電機(jī)模擬（The imitation of the fan characteristic by the DC motor）[J].太陽能學(xué)報（Acta Energiae Solaris Sinica），2003，24（3）：360-364.

[3]馬洪飛，張薇，李偉偉，等（Ma Hongfei，Zhang Wei，Li Weiwei，et al）.基于直流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)研究（Research on wind turbine emulation based on DC motor）[J].太陽能學(xué)報（Acta Energiae Solaris Sinica），2007，28（11）：1278-1283.

[4]吳捷，許燕灝（Wu Jie，Xu Yanhao）.基于異步電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪動態(tài)模擬方法（Dynamic simulation method for wind turbine based on induction motor）[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版（Journal of South China University of Technology：Natural Science），2006，33（6）：46-49，78.

[5]喬明，林飛，孫湖，等（Qiao Ming，Lin Fei，Sun Hu，et al）.基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗平臺的研究（Development of experimental platform for wind power generation using induction machine）[J].電氣傳動（Electric Drive），2009，39（1）：40-43.

[6]賈要勤（Jia Yaoqin）.風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗用模擬風(fēng)力機(jī)（A wind turbine simulator for wind generation research）[J].太陽能學(xué)報（Acta Energiae Solaris Sinica），2004，25（6）：735-739.

[7]王超，黃文新，王前雙（Wang Chao，Huang Wenxin，Wan Qianshuang）.基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬（Imitation of the characteristic of wind turbine based on induction motor）[J].電力電子技術(shù)（Power Electronics），2010，44（6）：7-9.

[8]魏毅立，薛小倩（Wei Yili，Xue Xiaoqian）.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模擬系統(tǒng)的Matlab仿真（Matlab simulation of wind turbine imitation）[J].電工電氣（Electrotechnics Electric），2012，17（3）：17-20.

[9]倪受元（Ni Shouyuan）.風(fēng)力機(jī)的工作原理和氣動力特性（Aerodynamic and principle of wind turbines）[J].太陽能（Renewable Energy），2000，20（3）：12-16.

[10]Hansen A D，Michalke G.Modelling and control of variable-speedmulti-polepermanentmagnetsynchronous generator wind turbine[J].Wind Energy，2008，11（5）：537-554.

[11]李偉偉，徐殿國，張學(xué)廣（Li Weiwei，Xu Dianguo，Zhang Xueguang）.基于直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)特性（Emulationofthestaticanddynamicbehaviorofawindturbine based on DC motor）[J].電機(jī)與控制應(yīng)用（Electric Machines&ControlApplication），2007，34（11）：1-5，46.

[12]Dolan D S L，Lehn P W.Simulation model of wind turbine 3p torque oscillations due to wind shear and tower shadow [C]//Power Systems Conference and Exposition.Atlanta，USA：2006.

[13]朱寧輝，張建文，姚奇（Zhu Ninghui，Zhang Jianwen，Yao Qi）.基于Simulink的異步電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)系下的仿真（Simulation of asynchronous motor in synchronous rotating reference frame based on Simulink）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（3）：31-35.

[14]任永峰，李含善，李建林，等（Ren Yongfeng，Li Hanshan，Li Jianlin，et al）.并網(wǎng)型雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真（Modelingandsimulationofgird-connectedDFIGwind power generation system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（5）：24-29.

Scheme on Wind Turbine Dynamic Characteristics Simulation Using Asynchronous Motor

QUAN Hai-liang，DONG Sheng，HAN Xiao-qing
（College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to improve the research of the wind power technology in laboratory，a simulated scheme for the wind turbine characteristics based on the asynchronous motor is proposed in this paper.The vector control technology is used in the scheme and the asynchronous motor can be equivalent to the DC electrical motor.In addition，the ripple aroused by the effect of wind shear and tower shadow is analyzed.The simulation system can simulate the actual wind turbine output characteristics.A wind turbine simulation system is built，which can simulate the dynamic output characteristics of wind turbine at a constant or changing wind speed，and the torque ripple aroused by the effect of wind shear or tower shadow.The simulated results show that the output torques of wind turbine simulated by asynchronous motor could accurately track the output reference torque of actual wind turbine，and verify the feasibility and availability of the proposed scheme.

asynchronous motor；wind turbine；characteristics simulation；vector control；Matlab simulation

TM76

A

1003-8930（2014）09-0035-05

權(quán)海亮（1988—），男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制。Email：quanhailiang111@163.com

2012-12-11；

2013-05-31

國際科技交流與合作專項項目（2010DFB63200）；山西省國際科技合作計劃項目（2011081054）；山西省科技攻關(guān)項目（20120321005-02）

董升（1987—），男，碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。Email：guipan8@163.com

韓肖清（1964—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源技術(shù)。Email：hanxiaoqing@tyut. edu.cn