風(fēng)力機(jī)特性的直流電機(jī)模擬

1、風(fēng)力機(jī)特性的直流電機(jī)模擬 黃海，康勇，柳彬（華中科技大學(xué)電氣學(xué)院， 武漢 430074 ）摘 要：分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用直流電機(jī)的輸出特性模擬風(fēng)力機(jī)特性的可行性，給出了一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和方法，為在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬風(fēng)力機(jī)運(yùn)行提供了一個(gè)實(shí)用的方法。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；直流電機(jī)；特性；模擬 1 引言     風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)力資源十分豐富，僅次于俄羅斯和美國(guó)，居世界第三位。風(fēng)力發(fā)電的研究、開(kāi)發(fā)利用，也成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。 要進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，最理想的方法是將發(fā)電機(jī)與風(fēng)車直接相連、在現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)。

2、但這樣做所需的研究經(jīng)費(fèi)比較多、研究時(shí)間比較長(zhǎng)。因此有必要在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)（能模擬風(fēng)車特性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)），從而解決在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)研究的問(wèn)題。本文在分析實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性后認(rèn)為，可以采用經(jīng)過(guò)特性改造和控制的直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的輸出特性。通過(guò)理論分析和計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的可行性。 2 風(fēng)力機(jī)特性與風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理     1 臺(tái)風(fēng)輪半徑為 R 的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速 下運(yùn)行時(shí)，它所產(chǎn)生的機(jī)械功率 Pm ：         式中 空氣密度

3、60;   風(fēng)輪半徑     風(fēng)速     風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)     風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù) Cp 反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，是一個(gè)與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪半徑均有關(guān)系的量。為了便于討論可以定義出風(fēng)力機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比 ：         式中 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度， rad/s     風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min 圖 1 關(guān)系

4、曲線     風(fēng)能功率系數(shù) 不是一個(gè)常數(shù)，它隨著葉尖速比 的變化而變化，其具體關(guān)系如圖 1 所示。實(shí)質(zhì)上， 就是風(fēng)能即將能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，它是 的函數(shù)。在任何風(fēng)速下，如果風(fēng)力機(jī)都能在 下運(yùn)行，便可以增加其輸出功率，而只要求得風(fēng)輪的葉尖速比是最大的 m ，就可以維持風(fēng)力機(jī)在 下運(yùn)行。因此，風(fēng)速變化時(shí)，只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使之保持不變，就可獲得最佳的功率系數(shù)，這就是風(fēng)力機(jī)的最佳運(yùn)行原理，即在不同風(fēng)速下可得到最大的輸出功率 。     在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系是 曲線如圖 2 。   

5、;  式中：     Te 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩     Te 負(fù)載轉(zhuǎn)矩     Cm 電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)     Ra 、 La 電機(jī)電樞回路電阻、電感     電機(jī)轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)動(dòng)貫量     、 電機(jī)電樞回路外加電壓、電樞電流     電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（ ） 3 直流電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行機(jī)理   

6、  直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可用下列方程表述：         式中 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩     負(fù)載轉(zhuǎn)矩     電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)     、 電機(jī)電樞回路電阻、電感     電機(jī)自轉(zhuǎn)動(dòng)貫量     、 電機(jī)電樞回路外加電壓、電樞電流     電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（ ） &#

7、160;   如果保持磁通 不變，則通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，就可以使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（即電樞電流）與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持一定的關(guān)系，而直流電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率的特性為：         電機(jī)輸出功率與電樞電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成一定關(guān)系。由此可見(jiàn)，對(duì)于任何已知的輸出功率，只要知道電樞電流或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速中的一個(gè)，就可以算出另一個(gè)狀態(tài)量，并通過(guò)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。     對(duì)于風(fēng)力機(jī)而言由 和 可知，在一定的風(fēng)速下，輸出功率只與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，且由于線性

8、關(guān)系，風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線形狀與 曲線相似，即只要知道了轉(zhuǎn)速，就能通過(guò) 曲線算出在該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)輸出功率，對(duì)直流電機(jī)而言由此就能得到所需電樞電流，如圖 3 所示，從而通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié) 的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)功率曲線 的模擬。 （圖中 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速之比） 圖 3 模擬風(fēng)力機(jī)特性得到 的關(guān)系 4 模擬風(fēng)力機(jī)功率特性的運(yùn)行機(jī)理及計(jì)算機(jī)仿真波形     實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行時(shí)，將直流電動(dòng)機(jī)與一臺(tái)交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)相連來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)的最佳功率輸出特性。直流電機(jī)模擬模擬風(fēng)力機(jī)功率特性的過(guò)程如圖 4 、圖 5 所示。 圖 4 直流電機(jī)

9、模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)框圖 圖 5 直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)框圖     限于實(shí)驗(yàn)室的條件，選用額定功率 、額定電壓 、額定電流 、額定轉(zhuǎn)速 的并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)作為直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)特性。     為了使直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其各項(xiàng)參數(shù)能盡可能滿足額定值，應(yīng)對(duì)參照風(fēng)力機(jī)特性和直流電機(jī)參數(shù)選取適當(dāng)?shù)?、 。對(duì)直流發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量并估算其參數(shù)，這里選取 、 。在模擬風(fēng)機(jī)特性時(shí)，假設(shè)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)風(fēng)速 ，額定風(fēng)速 ，空氣密度 ，將 、 代入可得，直流電機(jī)最大輸出功率 （假設(shè)風(fēng)速 ），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 ；最大電樞電流 ，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 ；最大空載電壓 ，

10、對(duì)應(yīng)空載轉(zhuǎn)速 。     假設(shè)在理想狀況下（忽略各種損耗， buck 電路輸出電流無(wú)諧波），參照上述條件和參數(shù)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 matlab 仿真，得到如圖 6 的轉(zhuǎn)速功率特性，與實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性基本一致。 圖 6 由 matlab 仿真得到的風(fēng)機(jī)功率特性 曲線     仿真的結(jié)果說(shuō)明用直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性是可行的，在啟動(dòng)電機(jī)后轉(zhuǎn)入到風(fēng)力機(jī)特性模式的過(guò)渡是時(shí)間也不長(zhǎng)。但是由于系統(tǒng)是只對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，由此得到該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此在模擬風(fēng)力機(jī)特性時(shí)，相當(dāng)于風(fēng)力機(jī)在無(wú)速度反饋的開(kāi)環(huán)狀態(tài)下

11、運(yùn)行。因此在模擬風(fēng)力機(jī)特性時(shí)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)的調(diào)速的響應(yīng)速度比較慢。圖 7 、圖 8 中電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和輸出功率很快就達(dá)到風(fēng)力機(jī)特性曲線上，但在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)調(diào)速時(shí)響應(yīng)速度則較慢。 圖 7 仿真的電機(jī)轉(zhuǎn)速 曲線 圖 8 仿真的電機(jī)輸出功率 曲線 5 直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)特性的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行     由以上分析我們可以按照?qǐng)D 3 的框圖搭建電路，采用 buck 降壓直 - 直變換來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。采用 buck 電路的好處是只是用一個(gè)可控硅，控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輸出電壓斷續(xù)，輸出電流諧波較大，為保電機(jī)電樞電流連續(xù)，需要串接較大的平波電抗器。 參考文獻(xiàn)：     1 卞松江，潘再平，賀益康 . 風(fēng)力機(jī)特性的直流電機(jī)模擬 J. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2003 ，（ 3 ）； 360-363.     2 鄭康，潘再平 . 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)模擬 J. 電工技術(shù)， 2003 ， 20 （ 6 ）； 40-43.     3 許洪華，倪受元 . 獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的最佳葉間速比控制