-.z基于異步電機的風力機模擬實驗平臺的方案設計摘要：提出一種風力機模擬研究和實驗平臺的設計方案，利用異步電動機矢量控制方式驅動發電機運行。利用DSP完成風力機數學模型的數學模擬，并提出矢量控制的方案，最終給出硬件實現的設備選擇，為下一步完成實驗平臺的建立做好鋪墊。關鍵詞：風力機數學模型；三相異步電動機；矢量控制；設備選擇1引言風能是一種無污染可再生的綠色能源，為各國政府的重要選擇。實驗室的先期探索對風力發電技術的開展起著重要的引導作用。但是由于條件的限制大多數實驗室不具備風場環境或風力機，這為風力發電技術的實驗研究帶來了很大困難。因此探討在實驗室條件下，如何模擬風力機特性是深入研究風力發電技術的前提，具有重要的現實意義。本實驗平臺設計以異步交流電機模擬風機的方案，構建包括硬件平臺和控制軟件在的完整的風力機模擬控制系統。通過采取適宜的控制策略，使整個風力機模擬系統符合實際的風力機特性，用其驅動風力發電機，到達模擬真實自然界中風力發電系統工作的效果。2風力機模擬系統的構成實際的風力發電系統如圖1所示。圖1實際風力發電系統在實驗室中模擬風力機，也就是將圖1中的實際的風力機用風力模擬系統取代，如圖2所示。圖2實驗室風力發電系統圖風力機模擬系統主要包括以下局部：實時軟件模擬器。用于實現風力機數學模型的數字化模擬。〔2〕機電隨動系統。用以承受來自實時軟件模擬器的給定信號，并提供可測量的輸出變量作為系統對實時軟件模擬器的響應。圖3為實時風力機發電模擬系統構造簡化框圖。圖中輸出量*是機電隨動系統的參考信號。如果*是轉矩參考值，則回饋值為電動機的輸出轉矩信號；如果*是功率參考值，則回饋值為電動機的輸出功率信號。M為原動機，G為發電機。圖3實時風力機發電模擬系統控制構造圖風力機模擬的本質是通過采取適宜的控制策略，使整個風力機模擬系統運行符合實際的風力機特性，用來驅動風力發電機，到達模擬真實自然界中風力發電系統工作的效果。3風力機的特性由空氣動力學可知，風力機捕獲的風能可表示為：〔1〕式中—風力機輸出功率;—空氣密度；—風輪掃掠面積；—風速；—葉尖速比；—漿葉節距角；—風輪轉速；—風輪半徑；—風能利用系數。由風力機從風中捕獲的功率為：可得到風力機輸出機械轉矩為：〔2〕式中，—風力機的機械輸出轉矩；—轉矩系數，.風能利用系數反映了風力機從自然風能中吸收能量的大小程度，是表征風力機效率的重要參數，即單位時間風輪所吸收的風能與穿過葉輪掃掠面的全部風能之比。不同的風力機所對應的曲線是不同的，一般的值由風機廠家給定，作為設計和計算的依據。風能利用系數是葉尖速比和漿距角的函數，即:其中，針對本實驗系統。風力機可以分為定漿距與變漿兩種，通常，定漿距即風力機的與的關系如下列圖4所示，圖4風力機的與曲線對于一個特定的風力機，具有唯一的一個對應最大的葉尖速比，稱為最正確葉尖速比，對應的稱為最大風能利用系數。由圖可見，當大于或小于時，都小于，使機組效率降低。由式〔1〕，〔2〕推導出風力機不同風速下的轉矩曲線如下列圖5a所示，圖中不同風速下〔v5>v4>v3>v2>v1〕的對應轉矩—轉速曲線簇，把每個風速下的最正確轉矩點相連，得到風力機的最優轉矩曲線，只要運行在該曲線上，風力機即可捕獲到最大風能。圖5b為風力機的功率特性，把功率—轉速曲線簇上的最大功率點相連，構成最正確功率曲線，運行在該曲線亦可捕獲最大的風能。圖5風力機特性曲線4風力機模擬系統的模擬方法在實驗室進展風力機特性模擬，主要就是模擬風能轉化為機械能這一過程，但在實驗室條件中并不具備風場環境或風力機，因此往往采用通過控制直流電機或交流電機轉矩來模擬實際的風力機運行情況。4.1風速模型風力作為風力發電機組的原動力，它的變化情況實時影響著整個風力機組的運行狀況，因此在實驗室開展相關的模擬風力發電系統實驗，需要對實際風場的風場風速情況進展準確有效的模擬。從可實現角度出發，將自然風速簡化為4種典型成分，即根本風、陣風、漸變風和隨機風。在風力機正常運行過程中根本風一直存在，它決定了風力發電機向系統輸送額定功率的大小，根本上反映了風電場平均風速的變化。在風速變化的過程中，陣風描述風速突然變化的特性。漸變風反映風速的漸變特性。隨機風反映風速變化的隨機特性。綜合這4種風速成份，可以用4種疊加的風速模型模擬實際作用在風力機上的風速在以上對風速模型進展理論分析的根底上，可以再MATLAB環境下進展仿真驗證。4.2異步電機模擬風力機的實現方法異步電機模擬風力機的實現原理風力機是能量轉換裝置，風力機輸出特性模擬的本質是能量或轉矩的控制，而非簡單的速度調節。因此，正確的模擬思路應該是根據當前風速、機組轉速和給定的漿距角，計算出風輪機的輸出功率或轉矩，將其作為異步電機的控制指令加以執行，本設計采用轉矩控制方式來模擬風力機的輸出特性。本平臺采用異步電動機在實驗室中代替風力機拖動風力發電機，其構造如下列圖6所示。此處，暫時未考慮變速箱。圖6風力機模擬實驗平臺示意圖按照給定的風速和實測的發電機轉速，根據上述風力機特性可計算出風力機的輸出轉矩，并作為異步電動機的控制指令，來控制異步電機的轉矩輸出。計算轉矩用的風力機模型如下列圖7所示。圖7風力機數學模型當風速一定時，風力機輸出功率〔轉矩〕與系統轉速n有確定的對應關系，在風力機模擬系統中，如果異步電機在穩態時輸出功率〔轉矩〕與轉速之間的關系符合實際風力機的特性〔如圖5〕即讓異步電機運行在風力機的特性曲線上，則到達模擬風力機的目的。具體實現的根本原理如下列圖8所示：圖8風力機模擬的原理圖假設當前風速為v2,所帶負載為P1,則系統穩定運行于A點，此時系統轉速為n1，風力機輸出功率為p1，此時要對風力機的當前狀態進展模擬，則只需控制異步電機的轉速為n1，輸出功率為p1，從而有效模擬了風力機在v2下的一個穩定點A；當風速由v2變到v3，此時假設負載還未變化，則風力機加速，最終穩定運行于B點，從而調節異步機，使其輸出特性符合B點特性；當負載由p1變為p2，則風力機減速，最終穩定運行于C點，通過調節控制系統使系統最終穩定運行于C點。所以對于風力機特性曲線上的每一點，都可以用一個P-n來表示，控制異步機運行于該點上，即可表現出風力機的特性。異步電機的矢量控制策略異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，不像直流電動機可以通過控制電樞電流來靈活控制電磁轉矩。隨著矢量控制的開展，異步電機的控制越來越靈活，已到達可與直流機相媲美的性能。矢量控制就是將定子電流的勵磁分量與轉矩分量解耦，然后通過對轉矩分量的控制完成電機轉矩的控制，到達調速目的。本實驗平臺采用矢量控制策略框圖如下列圖9所示：圖9基于矢量控制的異步電機模擬風力機控制框圖電機轉矩由轉矩電流確定，故利用轉矩電流可方便地控制電機的轉矩，實現風力機的模擬。風力機特性模擬的仿真分析本平臺主要要針對風速變化〔此時轉速保持不變〕以及轉速變化〔此時風速保持不變〕兩種情況，在MATLAB∕SIMULINK仿真環境下對風力機系統的運行特性進展仿真分析。相關仿真參數，電機參數：〔1〕風速變化，轉速不變情況的仿真。風速分別是8m/s、10m/s、9m/s仿真圖形如下列圖10所示：圖10a輸出轉速圖10b輸出轉距5風力機模擬實驗平臺的硬件實現5.1模擬系統的構成模擬系統由DSP控制面板、變頻器、異步電機、光電編碼器、聯軸器等主要器件構成。具體構成圖如下列圖10所示。圖11模擬系統構成圖本實驗平臺是由風力機數學模型所給出的氣動轉矩信號作為整個系統的給定，控制異步電機運行在風力機特性曲線上。風力機模擬實驗平臺主要包括以下局部：〔1〕風力機數學模型通過對風力機特性曲線的分析，經由編程在DSP2812中建立風力機輸出特性數學模型，輸出氣動轉矩信號作為矢量控制系統的轉矩給定。〔2〕矢量控制系統該局部實現①變頻器完成，風力機數學模型計算出的轉矩信號作為變頻器的控制信號。此變頻器應可以采用空間矢量PWM方式完成對原動機轉矩的控制，以拖動原動機實現風力機模擬。②利用逆變器控制，DSP2812通過采集到的風速與轉速，查表得到相應轉矩，作為矢量控制的輸入，通過SVPWM模塊產生六路控制脈沖，作用于電壓型逆變器功率元件，輸出三相交流電壓，使原動機按照給定的轉矩運行，即模擬出風力機的特性。〔3〕原動機由一臺2.2KW異步電動機作為風力機模擬器的原動機，來拖動同軸連接的發電機。〔4〕發電機異步電動機與發電機同軸相連，所以穩態時兩者具有一樣的轉速和轉矩。發電機通過控制面板給定轉速來控制兩臺電機轉速。此實驗平臺可先選用與原動機同型號的異步機作為發電機進展初步試驗研究探索，暫時不進展并網研究。后續工作中可進展以下工作：①采用AC/DC/AC變流器并網發電，發電機同樣采用實現間接磁場定向控制實現轉速調節，而并網逆變器采用電網電壓定向的矢量控制實現直流電壓和功率因數的控制；②更換電機，完成雙饋發電機發電并網的實驗研究。風力機數學模型輸出的氣動轉矩是由原動機局部的光電編碼器所測轉速和給定風速經由數學模型計算得到，給定風速可由基于DSP2812控制面板給定，也可通過編程來模擬陣風等較為復雜的實際情況。5.2硬件設備選擇根據系統控制功能，硬件平臺分成交流電機拖動系統、驅動系統、控制系統。交流電機拖動系統由2臺三相異步電動機、接觸器、斷路器、熔斷器、光電編碼器、聯軸器組成。驅動系統：變頻器或由逆變器及相應驅動隔離電路組成。控制系統：F2812控制板、繼電器等組成。具體設備選擇如下：〔1〕2臺同型號三相異步電動機〔2.2KW〕，1臺異步機作為原動機，1臺異步機作為發電機。初步可選擇的三相異步電動機型號為：①Y90L-2，2級，同步轉速3000r/min,價格339元∕臺。②Y100L1-4,4級，同步轉速1500r/min，價格465元∕臺。具體參數如下：型號額定

功率額定

電流轉速效率功率

因數堵轉轉矩堵轉電流最大轉矩噪聲振動

速度重量額定轉矩額定電流額定轉矩1級2級kWAr/min%COSФ倍倍倍dB(A)mm/skgY90L-22.24.8284080.50.862.27.02.370751.825Y100L1-42.25143081.00.822.27.02.365701.834〔2〕變頻器或1臺電壓型逆變器。變頻器型號：①普傳三相2.2KW高性能矢量變頻器，PI8100矢量系列，價格930元∕臺。功率圍：0.4-630kW，頻率圍：0.00～400.00Hz，電壓等級：220V/380V/460V/575V/660V/1140V。②三菱FR-A740-2.2K-CHT高性能矢量變頻器，3577.60元∕臺。③臺達VFD-C200系列高性能矢量變頻器VFD022C43A,2245元∕④安川電機公司生產，VARISPEEPG7，CIMR-G7B42P2。此型號變頻器的額定電壓為400V，適配電機額定功率為2.2KW,6830元∕臺。〔3〕主控制面板〔DSP2812和外圍電路組成〕。〔4〕光電編碼器〔采集轉速〕。可選擇EL42A(1024,24V，推挽式輸出)，價格100元。〔5〕聯軸器〔6〕熱繼電器、接觸器、熔斷器。熔斷器選用電機額定電流的3-5倍，接觸器選1.5倍以上，不用超過2倍，熱繼電器選用比電機電流可偏大一點。2.2kW三相電動機額定電流為I=4.2A，則可選擇熔斷器額定電流10A，參考型號L38-10A；接觸器額定電流10A，參考型號CJ10-10；熱繼電器額定電流5A，參考型號JR0-5；〔6〕整流模塊和濾波電路，調壓器〔矢量控制系統直接采用變頻器，則不需要這局部〕。〔7〕驅動與隔離模塊。〔矢量控制系統直接采用變頻器，則不需要這局部〕。5.2基于TMS320F2812DSP的硬件設計本實驗平臺中作為矢量控制系統轉矩給定的氣動轉矩控制信號由Ti公司的TMS320F2812DSP產生，因此有必要介紹基于F2812DSP的硬件設計。TMS320F2812是TI公司推出的一款用于控制系統的高速、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。TMS320F2812DSP采用哈佛總線構造，具有密碼保護機制，可在一個周期進展雙16×16乘加和32×32乘加操作，因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能，芯片集成了多種外設，尤其是兩個事件管理器為電動機以及功率變換器控制提供了很大的便利，F2812是作為電氣傳動控制中常用的芯片。基于F2812硬件設計如下：最小系統設計。①時鐘電路:為整個DSP芯片提供各種時鐘頻率。②復位電路：保證DSP芯片的有序的啟動過程。③供電電源設計：為各種器件供電。④JTAG仿真口：TI公司提供的TMS320系列DSP芯片均配有JTAG仿真接口，使用仿真器通過該接口對DSP芯片進展在線調試和仿真。仿真器不占用