張文娟

（寶雞文理學院電子電氣工程學院 寶雞 721007）

1 引言

風能，被公認為是世界上除水能之外最接近商業(yè)化的可再生能源之一［1］。但由于自然環(huán)境及風力機造價成本較高等原因，限制了戶外風力發(fā)電實驗的廣泛開展［2］。為此，如何研制一套與真實風力機運行特性相似的室內(nèi)風力機模擬平臺，解決風電研究過程中的原動機問題，就顯得尤為重要。

目前，風力機模擬設備主要有［3］：直流電動機、異步電動機和永磁同步電動機三種。相比于直流電動機，異步電動機和永磁電動機的控制需要經(jīng)過矢量變換，控制較為復雜［4］。而直流電動機的控制簡單，動態(tài)相應好，且其運行特性與風力機很相似，因此，在實驗室風力機原動機的模擬上，較多采用直流電動機。文獻［2］通過控制直流電動機電樞繞組電流來實現(xiàn)風力機轉矩特性的模擬，模擬結果與理論數(shù)據(jù)達到了高度的吻合。文獻［5］利用可編程邏輯控制器研究了實驗模擬系統(tǒng)的工作原理及控制流程通過實驗分析驗證了直流電動機模擬風力機的可行性。文獻［6］介紹了直流電動機模擬風力機的總體方案，但具體實施算法及過程并未充分給出。

本文在上述理論及實驗研究基礎上，結合目前風電場普遍使用的變槳距風力發(fā)電機組，研究其最大風能捕獲原理，制定基于直接轉矩控制的直流電動機模擬風力機運行方案，采用PC機、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、直流調(diào)速器等構成風力機模擬平臺，并給出具體的實施過程。實驗結果表明，該平臺可模擬風力機最大風能捕獲轉速-轉矩特性，為實驗室研究風力發(fā)電技術提供了參考依據(jù)。

2 最大風能捕獲下的風力機模型

對于目前風力發(fā)電場普遍采用的三葉片、水平軸風力發(fā)電機，貝茨理論指出，風力機單位時間輸入、輸出的風能及轉矩為［7～8］

式中，P0為不考慮風能損耗時的輸入功率；ρ為空氣密度；R為風力機掃掠半徑；v為風速；P和T分別為經(jīng)過實際機組損耗后的風力機輸出功率及轉矩；Cp為風能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)；CT為轉矩系數(shù)；w為風力機葉片旋轉角速度。

觀察式（2）可以發(fā)現(xiàn)，在風力機參數(shù)及風況確定的情況下，風能利用系數(shù)Cp的大小直接影響輸出功率及轉矩。 Cp的關系可定義為［9～10］：

其中：C1=0.517 6，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

葉尖速比λ可表示為

其中，n為w所對應的轉速。

圖1給出了風速不同時，風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系?？梢钥闯?，隨著槳距角β的增大，Cp減小。對于某一個確定的β角，存在一個最佳風能利用系數(shù)點［11～12］。

圖1 Cp與λ的關系

圖2 給出了槳距角最小，即 β=0°，風速不同時，風力機輸出功率與角速度的曲線。

圖2 風力機輸出功率與角速度關系

在圖中，將不同風速時的最佳功率點連接起來構成的線，稱為最佳風能利用系數(shù)曲線。目前，為了提高發(fā)電效率，風力發(fā)電系統(tǒng)均采用最大風能捕獲控制。也就是說，通過調(diào)整風力機角速度w，使其工作在最大功率點。

3 直流電動機的風力機模擬實驗平臺

3.1 風力機模擬算法

直流電動機的數(shù)學模型可寫成如下形式［13］：

其中，Udcm、idcm分別為直流電動機的電樞電壓和電樞電流；Ce為電動勢常數(shù)，Ct為轉矩常數(shù)，Tde為電磁轉矩，φ為主磁通，ωm為直流電機角速度。

模擬算法應當遵循兩個原則［14～15］：其一，直流電動機的轉矩及轉速應準確模擬風速的突變性，某一風速下，直流機的轉速與風力機的轉速應保持一致；其二，在轉速隨風速的變化過程中，應能模擬最大風能捕獲點?；谝陨蟽煞矫娴男枨螅瑢χ绷麟妱訖C的控制采用性能優(yōu)良的直接轉矩控制。具體控制算法結構如圖3所示。

圖3 風力機模擬算法結構圖

由圖3可以看出，整個算法由風力機模擬部分及直流電動機的控制部分組成。首先，通過風力機的最大風能捕獲數(shù)學模型計算出直流電動機的參考轉矩，再根據(jù)轉矩與電流的關系式計 算 出 直 流電動機的電樞參考電流i*dcm，最后，通過直流調(diào)速器控制直流電動機按規(guī)定轉速運行。轉矩控制的實質(zhì)即轉化為電樞電流控制。

3.2 風力機模擬系統(tǒng)組成

上述的風力機模擬系統(tǒng)由PC機+數(shù)據(jù)采集卡+直流調(diào)速器組成。下面分部分介紹各自的組成。

3.2.1 直流調(diào)速器

直流電機與風力發(fā)電機同軸相連，因此，直流電機轉速控制的準確性直接關系到風力發(fā)電機控制性能的優(yōu)劣。實驗平臺中風電機組功率為15kW，直流調(diào)速器選擇西門子公司的6RA70，為內(nèi)置PI調(diào)節(jié)模塊的全數(shù)字式緊湊型調(diào)節(jié)器。且具有很強的抗干擾能力。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡起著與PC機和直流調(diào)速器通信的作用。實驗中選用西安達泰電子有限責任公司為西安205所軍用光學測量系統(tǒng)而開發(fā)的多通道高速數(shù)據(jù)采集板DTE3216，如圖4所示。其擁有USB2.0接口，32路輸入輸出通道，集成了先進的FPGA技術，可以對100kHz的信號進行連續(xù)采集，并且實時記錄。

圖4 DTE3216數(shù)據(jù)采集卡

直流調(diào)速器6RA70的模擬量輸入輸出接口接收的電壓等級為0～10V，DTE3216采集板接口的模擬量電壓范圍是0～5V。為了使兩者實施有效的信號傳輸，設計了如圖5所示的放大倍數(shù)為2的直流電壓放大電路，其中放大器采用LF353芯片。圖中，放大器采取負端輸入的方式，這是因為輸入的模擬量電壓幅值較小，若從正端輸入，放大過程中電阻損耗增大，這勢必影響輸出端電壓的準確性。

圖5 直流放大電路

3.3 風力機模擬系統(tǒng)軟件設計

單片機控制流程如圖6所示。整個控制以風力機的工作特性曲線為基礎，其中，風能利用系數(shù)CT的擬合是必不可少的，本文中，采用NACA型風采用一個6次多項式，其中，a0=0.051，a1=-0.002，a2=0.005，a3=-5.142e-4，a4=-2.795e-5，a5=4.631e-6，a6=-1.331e-7。為了準確反映出風力機的工作特性，采用線性插值法解出曲線上的未知點再進行擬合。

圖6 模擬系統(tǒng)控制流程圖

4 實驗測試

在上述理論基礎上，搭建了直流電動機模擬風力機實驗平臺，機組實物如圖7所示。平臺中直流電機的型號為Z4-132-3，參數(shù)詳見表1所示。風力機葉輪半徑為4.3m，齒輪箱變比為7.846。數(shù)據(jù)監(jiān)測界面采用Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)。

表1 直流電動機參數(shù)

圖7 雙饋機組

1）直流電動機空載起動測試。

在直流調(diào)速器中，給定轉速設為1000r/min，采集的數(shù)據(jù)如圖8所示?？梢钥闯?，起動過程的轉速超調(diào)大概在13%左右，起動時間約為2s，且穩(wěn)態(tài)性能較好，證明了直流電機控制采集系統(tǒng)的有效性。

圖8 直流電動機起動采集數(shù)據(jù)

2）定風速模擬實驗。

模擬風速為8m/s時，風力機的轉速-轉矩輸出特性曲線如圖9所示。其中，曲線代表理論計算值，35個點代表數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬數(shù)值。可以看出，經(jīng)過擬合之后，實際模擬曲線與理論計算曲線基本吻合。驗證了風力機模擬算法及模擬平臺的有效性。

3）變風速最大風能捕獲模擬實驗。

圖10給出了風速為6m/s（曲線下）和10m/s（曲線上）時，模擬的風力機轉速-轉矩特性曲線。其中，灰色的代表不同風速下的最大風能捕獲曲線?？梢钥闯觯瑢嶒炂脚_可實現(xiàn)最大風能捕獲下的風力機特性模擬。

圖9 模擬風速為8m/s時的轉速-轉矩特性曲線

圖10 變風速最大風能捕獲特性曲線

5 結語

本文首先分析了風力機的運行特性，搭建了以直流電動機+直流調(diào)速器+數(shù)據(jù)采集卡+PC機的風力發(fā)電模擬實驗平臺。利用控制簡單、性能優(yōu)良的直接轉矩控制，將風力機的參考轉矩轉化為直流電動機的電樞電流進行控制，從而實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下風力機的單風速、變風速及最大風能捕獲運行特性模擬。該模擬實驗平臺開發(fā)周期短，控制簡單，具有一定的實用價值。